Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale Fabrik · 2020. 3. 27. · Riegelmayer Industrie...

Wolfgang P. Riegelmayer

Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale FabrikLeitungstechnik, Schnittstellen, Leistungsmerkmale,Gestaltungs- und Auslegungsprinzipien

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Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale Fabrik

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Wolfgang P. Riegelmayer

Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale FabrikLeitungstechnik, Schnittstellen, Leistungsmerkmale, Gestaltungs- und Auslegungsprinzipien

Mit 195 Abbildungen und 13 Tabellen

Der Autor:Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Wolfgang P. Riegelmayer (M.-Walldorf), ist als selbständiger Berater, Hochschul-Lehrbeauftragter (Nachrichtentechnik), Firmendozent und Gutachter tätig. Er ist Autor zahlreicher Publikationen, darunter zwei weitere Fachbücher.

Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt geprüft und getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht.Ebenso wenig übernehmen Autor und Verlag die Gewähr dafür, dass beschriebene Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

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© 2020 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Dipl.-Ing. Volker HerzbergHerstellung: le-tex publishing services GmbH, LeipzigCoverkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenTitelmotiv: © shutterstock.com/Monkey Business ImagesCoverrealisation: Max KostopoulosSatz: Kösel Media GmbH, KrugzellDruck und Bindung: Hubert & Co. GmbH & Co. KG BuchPartner, GöttingenPrinted in Germany

Print-ISBN: 978-3-446-46147-5E-Book-ISBN: 978-3-446-46416-2ePub-ISBN: 978-3-446-46529-9

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V

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI

1 Neue Anforderungen in der Digitalen Fabrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Komplettes Kabel- und Medienmanagement – digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Breitbandiges Multi plexing – mehrkanalige Systeme (FDM/FDD, OFDM, TDM/TDD, WDM/WDD, SDH/STM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Einkanalige LAN-Technologie (CSMA/CD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.1 Physikalische Strukturierungs- und logische (Ent-/)Kopplungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4 Breitbandige Parallelschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4.1 Beispiel Industrie-PC innen und nach außen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.4.2 Serialisiertes externes Storage Networking (einschl. USB Networking) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.5 Strom und Spannung (einschl. PoE und PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.6 Digitale serielle HF- Spannungsschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.6.1 Basisband, Gleich- und Wechsel spannungsverfahren der 0/1-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.6.2 Differentialverfahren, Manchester-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.7 Digitale schnelle Lowest-Power-Datenschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.7.1 Pulsung (in Baud) und Informations codierung auf geschlossenen Leitungs kreisen . . . . . . . . . . . 441.7.2 Speisung und Triggerung über Schleifenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.7.3 Impulsstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2 Kabelkanalanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.1 Der Außenbereich (outdoor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.2 Kabelführungen, CPs, Kassetten, Outlets, Tanks und Modularprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3 Verteiler- und Schaltschrank-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Inhalt

VI

Inhalt

3 Vernetzungsmodelle für die Digitale Fabrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1 Das Gitternetz (Factory Communication Grid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.2 Zellulare Überlagerung und das Sechseck (Hexagon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.3 Vernetzungstopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3.1 Liniennetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.3.2 Kette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.3.3 (Teil- bzw. Voll-)Vermaschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.3.4 Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943.3.5 Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.3.6 Stern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.3.7 Baum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.3.8 Clos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.3.9 Butterfly-Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.3.10 Ring(e) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4 Automatisierungskomponenten und Informationstechnik in der Digitalen Fabrik . . . . . . 113

4.1 Die Feld-, Steuerungs- und Prozessebenen sowie Leitebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.1.1 Sensorik und Aktorik, Devices und Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.1.2 Konventionelle funktionale Schnitt stellen RS-232, RS-422/-423 und RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.1.3 Master-Slave(s)-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.1.4 Wesentliche Feldbus-Netztechniken und -Systeme auf der Basis von RS-485 oder Ethernet . . . . . 128

4.2 Gebäudeleittechnik als Overlay-Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.3 Bordnetze in der Automation und z. B. für Robotik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.4 Zu den geforderten Echtzeitfähigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.4.1 Verzögernde Übertragungs sicherungsprotokolle und Polling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.4.2 Echtzeit-Möglichkeit mit Kollisions-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5 Grundlegendes und Aktuelles zu High-Speed- und Gigabit-Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.5.1 Bus-Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.5.2 Fast (dt.: schnell)/100 Mbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444.5.3 Neue Transceiver-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.5.4 GEth und Lanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.5.5 Erweiterte offene Transceiver-Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.5.6 Miniaturisierte Mehrfach-Steckertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.5.7 10GEth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.5.8 40GEth und 100GEth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5 Informationstechnische Kupferkabel (wire) als digitales Übertragungs medium . . . . . . . 155

5.1 Struktur und Aufbauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.2 Allgemeine Leistungsmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.2.1 Ausbreitungsverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1595.2.2 Dämpfung unter Breitbandigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

VII

Inhalt

5.2.3 Weitere Phänomene der HF-Technik auf festen Metallleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.2.3.1 Rückfluss und Reflexionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.2.3.2 End-Cross-over Talking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5.2.4 Weitere dB-Semantiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.2.5 Elektrische und andere Widerstände unter Breitbandigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.2.6 Durchmesser und Querschnittsfläche von Massivleitern sowie „Güte“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1825.2.7 Frequenz/Bandbreite der Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

5.3 Die 2-, 4- und 8-drähtigen HF-Kupferkabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905.3.1 Kabelarten nach Schirmungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.3.2 Leitungs- und Kabelbündel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1975.3.3 Breitbandige DSL- und andere Anschlüsse im Outdoor- und Indoor-Einsatz für die Digitale Fabrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.4 Steckverbindertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5.5 Koaxialkabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2235.5.1 Koaxiale HF-Steckverbinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

6 Lichtwellenleiter (engl.: fibre optics) als digi tales Über tragungsmedium . . . . . . . . . . . . . 227

6.1 Vor- und Nachteile von LWL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6.2 Struktur und Aufbau elemente von Ein- bzw. Zwillings-LWL und Faserbündeln . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.3 Anmerkungen zur Optoelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

6.4 Brechungsprofile und „Indexe“ einschl. POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

6.5 Wellenlängen im Glas fasermedium und optische „Durchlass“-Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.5.1 Dämpfungen und Reichweiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2346.5.2 „Güte“ und Übertragungsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2366.5.3 Weitere dB-Semantiken bei LWL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

6.6 Weitere Dispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

6.7 Planen mit Dämpfungs budgets und „Link Margins“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

6.8 Baud, Symbole und Wavelength Division Multi plexing (WDM, OFDM, Wide-WDM, CWDM, DWDM, Parallel Optics) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

6.9 LWL-Steckverbinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

7 Digitalfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

7.1 Spektrum, Frequenzen, Blöcke, Bänder und Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2487.1.1 (Träger-)Frequenz-Management für wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.1.2 Ausgangspunkte referierter Standards und Frequenzfestlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

7.2 Funkfeldbeschreibungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.2.1 Das Medium Funk in der Wechselwirkung mit der Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2677.2.2 Weitere Einflussparameter eines Funksystems und Einordnungs kriterien nach Techniken . . . . . 270

VIII

Inhalt

7.3 Aus dem Regulativ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2747.3.1 Nicht öffentlicher fester Funk (nöF) zum und auf dem Betriebsgelände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2747.3.2 Nicht öffentlicher mobiler Landfunk (nömL) für die Produktionsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2767.3.3 Kurzstrecken- und Nahbereichsfunk innerhalb und außerhalb des Betriebsgeländes für jedermann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2777.3.4 Funk-LAN (WLAN) im Feld (auch engl.: Radio LANs, kurz RLANs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2807.3.5 Andere und ähnliche Techniken für Applikationen der Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . 286

7.4 Optisch breitbandig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

7.5 Öffentliche Netzdienste, breitbandig und zellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

7.6 Zeitsignalempfang und Verbreitung für äußerst präzise Produktions abläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

7.7 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

IX

Vorwort

Was in der anwendungsneutralen Bürokommunikation und -automation an strukturierten Verkabelungskonzep-ten vor 20 Jahren normativ begann und sich bewährt hat, stellt sich neuen Herausforderungen innerhalb der mo-dernen industriellen Produktionsstätte. Großer Wert ist auf innovative Weiterentwicklungen und aktuelle Techno-logien zu legen, die sich eingestellt haben bzw. in Aussicht stehen. Es gilt, sich das Wissen zu eigen zu machen, an welcher Stelle genau im und am Werk sowie im breitban-digem Umfeld (WAN, MAN) neue Technologien sinnvoll genutzt werden können. Universelle Konzepte kann es hier aber nicht geben, weder bei „passiver“ noch bei „ak-tiver“ Vernetzungstechnik.Prinzipiell ist für die Digitale Fabrik von höheren Anfor-derungen, sprich von Höchstverfügbarkeit, Sicherheits-redundanz und Flexibilität auszugehen. Auch der erheb-liche Mehrbedarf an digitaler Medientechnik auf Lang- und Kurzstrecke per Kabel sowie kabellos wird relevant. Die tatsächlichen Möglichkeiten für den Ausbau und deren Aufwand müssen im Vorfeld eingeschätzt werden. Das Buch erhebt zudem den Anspruch, wenig bekannte Möglichkeiten für Industrie 4.0 aufzudecken, deren Im-plementierung ins rechte Bild zu rücken und auf den Weg zu bringen sowie Verweise auf Hindernisse und Ein-schränkungen und Abhilfemaßnahmen zu geben. Der Autor versäumt nicht aufzuzeigen, wie sich verschie-dene Erkenntnisse übertragen lassen und er hat Neues aus der Welt der Data-Center-Ausrüstungen mit einge-

bracht. Dieses Erkenntnisfundament ist nicht nur Ideen-geber, sondern erleichtert jede Projektierung. Dies schließt auch die Weiternutzung von Bestehendem aus-drücklich ein. Leider sind viele Bezeichnungen in einer informationstechnischen Vorgehensweise nicht einheit-lich, teilweise sogar unbestimmt. Es gibt unterschiedliche Herangehensweisen sowie verschiedene Betrachtungs-weisen zur Digitalisierung. Fachübergreifende und spezi-fische Synonyme, Abkürzungen (deutsch, englisch) und Anglizismen von wichtigen Fachwörtern werden deshalb erläutert. Das Anliegen des Autors ist, die infrage kommenden Digi-talmedien: „wired“ als Metalleiter, Lichtwellenleiter und „wireless“ als Digitalfunk für die Praxis darzustellen. Diese sind sich in kommunikationstechnischen Mechanis-men und Abläufen bei digitalisierten Produktionsmitteln sehr ähnlich geworden und daher in vielerlei Hinsicht mit-einander vergleichbar. Dies wird an Merkmalen für die Informationstechnik und Automation in der Digitalen Fa-brik und nach Einsatzbereichen erläutert – auch kombi-niert und innerhalb einer Übersicht hinreichend differen-ziert.Dieses Fachbuch eignet sich als einführendes Lehrbuch zur schematischen Visualisierung genauso wie als Nach-schlagewerk und wendet sich gleichermaßen an Entschei-der, Hersteller, Management, IT-Verantwortliche, Entwick-lungsingenieure und Automatisierungstechniker.

XI

Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassen-des Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen, die durch ein durchgängiges Datenmanage-ment integriert werden. Das Ziel der digitalisierten Fabrik ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt. Verschiedene Initiativen, unterschiedliche As-pekte und Gegenstände im Fokus, haben sich in diesem Zusammenhang gebildet, wie die Plattform Industrie 4.0, Smart Factory, intelligente Fabrik, Factory of the Future (FoF), Connected Factory, Industrial Internet-of-Things (IIoT), IIC etc., mit der Zielsetzung der Vollautomatisie-rung bzw. einem höheren Grad an erreichbarer sicherer Automatisierung produktionstechnischer Einheiten, ein-schließlich dem Anlagenbau, basierend auf untereinander vernetzbaren und kommunizierenden Systemen und Teil-systemen. Zum „was man dazu braucht“ einschließlich angesagter neuer Technik gehört auch, autonome Produktionsprozes-se untereinander abzustimmen und zu verknüpfen; dies geht über rechnergestützte Fertigungsabläufe hinaus. Von der Vorstellung der einheitlich durchgängigen aktiven oder nur passiven Vernetzung für IKT (Informations- und Kommunikationstechnologie, engl.: Information and Com-munication Technology, kurz ICT) wurde Abstand genom-men. Im Sinne einer Unternehmensstrategie „Kabelnetze als Dienste-Plattform“ ist diesem aber weiterhin und ver-stärkt gerecht zu werden. Nämlich dann, wenn es um Schwerpunkte mit Bestand für die Zukunft geht. Eine ge-wisse Durchlässigkeit (diese ebenso automatisiert) der

Ebenen der so genannten Automatisierungspyramide ist anzusetzen, wobei diese vom Prinzip her beibehalten wird, ganz im Sinne eines MES (Manufacturing Execution Systems).Die Digitalisierung der industriellen Fertigungsprozesse selbst ermöglicht neuartige Erschließungen und muss sich konkret in der Vernetzung widerspiegeln. Es ist wie ein Zusammenwachsen zweier Welten: IT (Informations-technik) und Automation. Deren Berührungspunkte und bereits eingetretene Überschneidungen nehmen hier ei-nen großen Raum ein, insbesondere hinsichtlich der Ei-genschaften, Sinn und Zweck, Digitalfunktionalität und Leistungsfähigkeit. Der Autor gibt dem Leser einen Über-blick und Einblicke an die Hand, was es alles an relevan-ten Details zu beachten gilt: So kann für den Einsatzbe-reich Produktion das Netz an Daten selbst entwickelt bzw. konzipiert, zur Entscheidung gebracht und erfolgreich praktisch umgesetzt werden.Hierbei wird ein infrastruktureller Ansatz verfolgt, bei dem in Grundzügen eine Vernetzung und deren Technik als kabelbehaftet und kabellos Bestand haben soll, wohl aber auch bei Änderungen und im Wandel generell zu-kunftsorientiert ist. Ausgangspunkt der strukturellen Betrachtungen sind zielgerichtete bauliche Vorbereitungsmaßnahmen, aus Gründen der Anschaulichkeit vornehmlich in geschlosse-nen Arealen. Für die innen wie nach außen digital ver-netzte Produktionsstätte wäre man damit weitgehend für Industrie 4.0 vorbereitet, die gebotene Erreichbarkeit und Konnektivität wird berücksichtigt.

Einleitung

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1 Neue Anforderungen in der Digitalen Fabrik

Ziel ist die weitergehende und tiefgreifende Integration der Fertigungsplanung mit unmittelbarer Auftragsverar-beitung (aus dem Office) bis hin zu neuartigen Produk-tionsgeschäftsmodellen, z. B. Vor-, Teil- oder Fertigerzeug-nissen, variablen Losgrößen und Ad-hoc-Anpassungen der Erzeugnisse sowie der eingesetzten, einzusetzenden oder einsetzbaren Betriebsmittel, die dem aktuellen Be-darf angepasst, aber auch den ständigen technischen Ver-änderungen gerecht werden müssen. Die Praxis lehrt, dass auf beides, den mittelbaren und unmittelbaren Be-darf sowie auf technische Veränderungen, gerade bei den Weiterentwicklungen für Vernetzung, einzugehen ist. Dies ist Teil eines transdisziplinären Arbeitsgebiets für die Digitale Fabrik.Angestrebt wird dabei eine höhere Qualität und Zeit-genauigkeit von Auslieferungen (engl.: delivery) unter Einbeziehung der sog. Supply Chain der Klein-, Mittel- und Großindustrien. Bezüglich der Vermeidung von Aus-schuss, der ggf. zu entsorgen wäre, sowie der Reduzierung von (manuellen) Nacharbeiten lassen sich Kosten ein-sparen. Letztlich ergeben sich auf diese Weise Synergie-effekte und eine Produktivitätssteigerung.

1.1 Komplettes Kabel- und Medienmanagement – digital

Die zu erwartende Umgebung und Folgerungen

Zur Bedarfsplanung der Vernetzung für die Digitale Fabrik fügen sich allgemeine Anforderungen der Konzep-tion hinzu, die die Herausforderung beinhalten, welche Gestalt informationstechnische Wege gerade in der Auto-mation annehmen können. Hier in diesem Buch werden Empfehlungen zur Umsetzung gegeben:

■ Flächendeckende Versorgung von allen denkbar mög-lichen Aufstellungsorten für Maschinen und (End-) Ge-räte der Informations- und Kommunikationstechnik, auch mit einem Versorgungsmaß

■ Zukunftssicherheit durch Beständigkeit einerseits und Flexibilität andererseits hinsichtlich Anpassung und Veränderungen sowie Erweiterbarkeit im Hinblick auf neue technologische Entwicklungen und produktions-technische Anwendungen

■ Flexibilität bei der Anschlusssituation, wenn wieder-holt ein Rangieren der Fabrikationsgerätschaft und pro-duktionstechnische Veränderungen anstehen

■ Gezielte Nutzung (engl.: utilisation), und das mehrfach, des teuren Betriebsmittels; Übertragungsweg unter ver-tretbarer Last

■ Ausfallsicherheit durch Zuverlässigkeit (engl.: reliabil-ity) und Verfügbarkeit (engl.: availability) mittels vor-sorglicher Redundanz (engl.: redundancy), Wartbarkeit (engl.: maintainability) und schnellster Rekonfigurier-barkeit

■ Modularität zur betrieblichen Absicherung gegen Einzel- und Mehrfachversagen (engl.: failure), schnellste Aus-tauschbarkeit sowie Anpassungsfähigkeit, wozu auch die notwendige Reserve gehört, bis hin Skalierbarkeit in Schritte beim weiteren Ausbau

■ Beherrschbarkeit durch Kontrolle und Steuerungsmög-lichkeiten

■ Einhaltung von Normen und etablierten Standards zwecks Integrierbarkeit und Anknüpfbarkeit an Beste-hendes sowie Unabhängigkeit von (rein) geschlossenen Übertragungssystemen

■ Datenschutz- und andere Sicherheitsbelange.

Die Entscheidungsfindung, zu welchen Bereichen bzw. auszurichtenden Gliederungsstrukturen die Ebenen der vernetzten Digitalen Fabrik gehören, wird gesichert, in-dem alle Aspekte betrachtet und Ziele sowie Begründun-gen festgehalten werden, die zu einer erfolgversprechen-den Realisierung führen. Alle Schritte sind nachvollziehbar zu dokumentieren, um später z. B. den weiteren Ausbau oder eine erneute Bedarfserkennung zu ermöglichen.

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1Dazu gehören auch vorbereitende bauliche Maßnahmen, wobei der absehbar zu vernetzende Gegenstand, die Eigenschaften der Übertragungsmedien ebenso wie ein-zubringende Lichtwellenleiter, Koaxial- und Telefonkabel-artige Kupferkabel sowie Funkausrüstungen einander gegenübergestellt werden.

Wo die Kabelmeter bleiben

Um der Wirtschaftlichkeit, aber auch gebotener Sparsam-keit gerecht zu werden, ist das Kernstück jeglicher kom-munikationstechnischen Infrastruktur die schematische Mehrfachbenutzung bzw. Mitbenutzbarkeit eines infor-mationstechnischen Trägers (engl.: carrier) in der Auto-mation, der als Ader/Faser und Funkfrequenz mitsamt zugehöriger elektronischer Bauteile vorliegt, selbst wenn es in der Praxis letzten Endes oft auf eine Einzelnutzung hinauslaufen wird. Es ist die Ressource, die über Belegungen geteilt (engl.: sharing) wird (einer Wertschöpfung gleich) – ohne weiter-gehende Nachteile für die einzelnen Teilnehmenden an der Übertragungsbandbreite (engl.: transmission band-width). Diese kann schmal (engl.: narrow) bis breit (engl.: broad) sein, dazwischen weit (engl.: wide) – nicht unbe-dingt in Analogie zur gesamten digitalisierten Übertra-gungsrate (engl.: transmission rate) in Bit pro Sekunde (bps, bit/s), immer (nur) richtungsbezogen zu sehen. Diese Betrachtung kann streckenweise erfolgen, aber sich auch über Strecken (engl.: links) einer Verbindung (engl.: connection) hinweg ergeben und das gesamte Netzwerk (engl.: network) greifen oder auch zur Überbrückung einer Kürzestdistanz dienen. Schon bei der einzelnen Mehrfachausnutzung einer Strecke erwächst daraus eine höhere Sensibilität bezüglich einer Unterbrechung, weil dann eben mehrere Verbindungen betroffen sind, sodass mit einzelnen oder gemeinsamen Ersatzwegen und/oder weiteren kommunikationstechnischen Einrichtungen vor-zubauen ist.Im Fokus stehen ebenso aussichtsreiche Weiterentwick-lungen mit konstruktiv innovativem Gehalt, die im ratio-nalen Zusammenhang in gegenseitigen Beziehungen ste-hen; im Ausblick sind diese quantifizierbar sowie de facto auch Wirtschaftlichkeitsbewertungen unterworfen. Be-züglich weiterer Erschließungen und dem Umgang mit neuen Techniken im Hinblick auf augenscheinliche und mannigfaltige, feststehende und für die Zukunft anste-hende Abhängigkeiten verbleiben noch genügend Frei-räume.

1.2 Breitbandiges Multi-plexing – mehrkanalige Systeme (FDM/FDD, OFDM, TDM/TDD, WDM/WDD, SDH/STM)

Wie die Breitband-Übertragungstechnik entstand

Ursächlich ging es auf diesem Gebiet um die Mehrfach(aus)-nutzung von Übertragungsmedien, was Kabelbündel er-gab, die noch umfassend betrachtet werden. Schon unter Stückkosten-Betrachtung auf den Meter und die Anzahl im (passiven) Bündel bezogen, sind diese günstiger als einzelne Leiterpaare bzw. LWL-Fasern, die streng neben-einander herlaufen. Diesem rein Passiven wurde dann mit paarweiser aktiver Technik zum Einsammeln und wieder Verteilen entgegengetreten, die ihre eigene gerätetech-nische Stromversorgung hat bzw. haben muss und im Vorgriff als Gerätschaft in die später angesprochenen Schaltschränke gehört. Aktuell wird es spätestens, wenn eben kein Platz mehr für dicke Bündel zur Verfügung steht; dies auch zur Vorausberechnung der notwendigen bis möglichen Bandbreitenerhöhung einer bereits existie-renden Ressource, die es gilt geschickter auszunutzen. Einer Frage zur Interoperabilität wäre dann nachzugehen.Eine Folge ist auch, dass das einzelne Übertragungsbit kalkulatorisch preiswerter wird (auch wenn dies so man-chem Fernmeldedienst und dessen Infrastruktur-Grenz-kosten mit Geschwindigkeit nach oben obliegt). Wenn sich der Gebrauchswert erhöht, sind Kabel besonnen auszu-wählen. Was den expliziten Geschwindigkeitssprung in der Hierarchie betrifft, so wird die hierzulande allgegen-wärtige Zweidrahttechnik eines für Nutzdaten auslegba-ren Sprechkreises , die als schmalbandiger Telefonkanal mit weiteren Kanälen vorliegt, dazu nicht viel hergeben. Bei der Vierdraht- oder evtl. Sechsdraht- oder gar Acht-drahttechnik sieht es schon besser aus: Hier können (unidirektionale) Gesamtbandbreiten von mehr als 1 GHz erzielt werden, die sogar in breitbandige Nutzkanäle un-terteilbar sind. (Von Subkanälen zu sprechen, könnte in-formationstechnisch irreführend sein.) Bei zu erwartender dichterer Vernetzung findet sich in der Fabrik – und deshalb wird es hier erklärt – bereits Ähnliches oder gar Gleiches für die permanent und nicht permanent stehenden, aktiven Verbindungen der Digital-technik in der Informationstechnik zur Automation – wenn auch meist spezifiziert als geschlossene elektro nische Multiplex-Systeme an Breitbandtechnologie für alle in Fra-ge kommenden Medien wie Vier- und Mehrdrahtkabel, Koaxialkabel, LWL-Kabel und sogar Digitalfunk. So sind

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1.2 Breitbandiges Multi plexing – mehrkanalige Systeme (FDM/FDD, OFDM, TDM/TDD, WDM/WDD, SDH/STM)

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1diese auf der untersten Ebene – dem ein- oder mehrkana-ligen Zugang – über digitale Zugangsschnittstellen mit entsprechenden Standards schon immer zugänglich gewe-sen. Dieses Thema nimmt im Folgenden einen breiten Raum ein mit anderen Multiplextechniken auf Einzelstre-cken, ob es nun um geschlossene und somit betriebssiche-re digitale Standard-Schnittstellen mit (bit-)seriellem Zu-gang und gleichsam Abgang an Bidirektionalität geht, wie beispielsweise mehradrige RS-232/V.24-Schnittstellen, oder RS-422-Schnittstellen (plus RS-423) mit der mindes-tens anzusetzenden Vierdrahttechnik bis hin zur Punkt-zu-Punkt-förmigen RS-485-Schnittstelle. Oder ob es Spezi-allösungen sind für geschlossene Daten-Schnittstellen oder die offenen Möglichkeiten der eigentlich geschlosse-nen LAN-Technik, welche noch vertieft wird, auch in der aktuellen Fortschreibung. Sinn und Nutzen des (aktiven) Multiplexings darüber hinaus in einer realen Fabrikati-onsumgebung wird später diskutiert und veranschaulicht.

Was ein Multiplex-Paar enthält

Wie intern gemultiplext wird, z. B. mittels Nutzfrequen-zen als Träger (engl.: carrier) und mit dem Frequenzgang, war und ist weiterhin proprietär; dies kann analoger, aber auch digitaler Natur sein – ohne oder mit vorteilhaftem Medien-Wechsel auf Coax. Ein Multiplexer-Ausgang ent-hält in der Regel eine verstärkende Komponente, womit eine längere Verbindungsstrecke zu seinem Gegenüber gemeinsam bewältigt werden kann, die sich dann im noch präsentierten Factory Communication Grid auslegen lässt (vgl. Bilder 3.47 und 3.48). Wenn es entfernungsmäßig nicht reicht, so bieten sich zusätzlich verstärkende Ele-mente dazwischen an, wenn auch deren Aufsynchroni-sieren problematisch wird ab zwei Elementen; derartige Geräte gehören ebenso in den erwähnten Schaltschrank. Nicht ausgeschlossen war bei einer Multiplexstrecke, dass zur Überbrückung von noch größeren Entfernungen innerhalb und rund um eine Fabrikationsstätte bis hin in den sog. Fernbereich die antiquierten sog. Modems oder Ähnliches, ebenfalls paarweise, zwischen dem Multi-plexer-Paar unmittelbar an deren Ausgängen eingebracht wurden, was dann wiederum Fragen der Konformität mit den geschlossenen Schnittstellen zu diesen aufwarf, ge-nauso wie die der eingangsseitigen Zu- und Abgänge. (Eine Modem-Strecke kreuzt die Richtungen.) Was so ein Modem-Paar wäre, konnte auch im Multiplexer und De-Multiplexer integriert sein, eben um die noch längere Strecke zu bedienen, Letzterer als notwendiger Gegenpart zum Ersten. Man spricht auch nur bei bidirektionalen paarweisen Komponenten von Multiplexern oder kurz Muxen auf einer Ebene, wo die Richtung auf der Strecke gekreuzt wird.

Was sich für Vernetzungen in der Digitalen Fabrik anbietet

Aus den Zu- und Abgängen ergibt sich daher das klas-sische und weiterhin aktuelle Prinzip, das unter Mehr-fachzugang bzw. Vielfachzugriff (engl.: Multiple Access, kurz MA) rangiert, nämlich an und für sich passive Multi-Point-(MP)-Kabel mehreren aktiven Nutzungen direkt zu-gänglich zu machen, also einer Übertragungsstrecke Bus-fähigkeit zu unterstellen – womöglich in Form einer Ader oder gar Funkwelle – und sich diese mithilfe von (physi-kalischen) Kanalbildungen mehrfach nutzbar zu machen. (Diese sind evtl. weiter in sog. logische Strukturen unter-teilbar.) So galten schon zuvor die Grundsätze, die ins-besondere die (vor-)konzentrierende Bündelung von lang-sameren Quelle-Ziel-Verbindungsstrecken erfassen, die in ihrer Gesamtheit schneller zu verwirklichen sind – auch Trunk (dt. etwa: Haupt-) genannt –, und dass es sogar noch preiswerter wird, insofern ein höherwertiges Über-tragungsmedium verstärkerlos größere elektronische Nutzreichweiten im Feld der Industrieautomation zulässt. Dies gilt es in Voraussicht auf die Automationszellen- und anderen Ebenen technisch zu organisieren – statt eine Heimsuchung durch dicke Kabelstränge bzw. Kabelbäume (s. Bild 3.46) hinzunehmen. Gleichzeitig bedeutet dies eine Restkapazität an Opportunität, also eine Reserve, welche in bestimmten Situationen des Zeit-Raum-Gefüges im Hinblick auf die Blockierfreiheit mit einbezogen werden kann. Aber auch eine Ausgrenzung ist möglich, sodass die Übertragung auch bei zeitkritischen Anwen-dungen garantiert funktioniert.Um die Effektivität zu erhöhen, bzw. für den Geschwindig-keitssprung auf eine höhere Kapazität ist ein breitban-digeres Medium wie Zwillings-Glasfaser, alternativ (wei-terhin) Koax oder gar gerichteter Digitalfunk notwendig. Natürlich ist der zusätzliche Bedarf an aktiven Komponen-ten mit notwendiger Stromversorgung gegenzurechnen: ein funktionales Paar von Multiplexer und De-Multiplexer. Beide müssen sich nach dem Anschalten bzw. der Inbe-triebnahme erst einmal einschwingen. Es sei erwähnt, dass bei einer endseitigen Betrachtung nur ein Multiple-xer geführt wird, was bedeutet, dass es sich dabei um eine (offene) Zugangskonzentrierung bzw. -aggregation han-delt, genannt Access Multiplexer, kurz AM. (Dieser wird am Beispiel eines DSL-Anschlusses mit DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) dargestellt, dem kein weiterer De-Multiplexer mit gleicher Technik und glei-chem Verfahren, aber ohne definierte Schnittelle gegen-übersteht, sondern eine andere Komponente, die noch näher vorgestellt wird). Unter einem elektronischen Multiplexer und De-Multi-plexer (für die Kompatibilität), die regulativ als eigene Ausrüstung (Customer Premises Equipment/Networking,

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kurz CPE/N) gefasst sind, hat man sich ein kleines Stand-alone-Gerät oder eine Karte bzw. ein (Vertikal-) Modul (vgl. Bild 1.2) im Schaltschrank-Programm oder eine Ein-steck-Karte, z. B. für die Zu- und Abgänge in jeweils zwei Industrie-PC, kurz IPC, vorzustellen, die noch beschrie-ben werden. So lässt sich in der Automation bei der Ver-bindung von gegenüberliegenden Mastern zu jeweils ihren Slaves (vgl. Bild 3.47) ein elektronischer Leitungs-weg gemeinsam nutzen (worüber aber im Feld wenig be-kannt ist).

Statisches Multiplexing mit Bandbreitengarantie

Bei Zusammenführungen von Leitungswegen, die sonst Kabelbündel darstellen würden, kann es zu einer Multi-plex-Hierarchie kommen, wobei es allerdings medienab-hängig ist, wie nach dem gleichen Schema elektronisch weiter gebündelt bzw. auch unterteilt wird bei Nutzkanä-len (engl.: usage channel) für Daten, sodass ein Ordnungs-prinzip entsteht. Bei den sternförmigen Zu- bzw. Abgän-gen jeder Ebene wird es (einheitlich) einfach zugehen, da im topologischen Sinn ein Baum vorliegt, bei dem die Wurzel (engl.: root) entfällt. Bei dem geschlossenen Mehr-kanalsystem ist ein beidseitiges Links-rechts-Symmetrie-merkmal erkennbar, wenn auch in der Realität Zu- und Abgänge von unterschiedlicher Länge sind. Ebenso gibt es eine Oben-unten-Symmetrie. In der einfachen Ansicht einer Zwei-Ebenen-Hierarchie in Bild 1.1 im Vorgriff auf die Feldbus-Systeme von mehreren Mastern und Slaves ist beispielhaft ein Daten-Nutzkanal im Feld einer Produk-tionsumgebung veranschaulicht. (Der Frage, inwieweit konzentrierende Ersatzstrecken bzw. Ersatzwege mit an-derer Führung der Redundanzforderung genügen, wird noch nachgegangen und die Umsetzung mittels Cross-Multiplexer wird unten bereits vorgestellt (vgl. Bild 1.3), wobei es beim noch behandelten SDH/STM-Multiplexing an Ringverknüpfungen (vgl. Bild 1.8) ein anderes Ver-ständnis und eine andere Funktionsweise gibt.)

Seitlicher Direkteinstieg höherer Nenn-Übertragungsrate

Statistische Multiplex-Verfahren wie ein geschlossenes Übertragungssystem generieren also Mehr-Bandbreite auf der Punkt-zu-Punkt-förmigen Verbindungsstrecke bis

hin zur Breitbandigkeit. Die Frage ist, ob das einen gesam-ten breitbandigen Nutzkanal (engl.: usage channel) z. B. in einem Frequenzgang ausmachen kann. Insofern kein Oben-unten-Symmetriemerkmal gegeben ist (vgl. Bild 3.47), d. h. keine einheitlichen Zu- und Abgangsüber-tragungsraten für (End-)Stationspaare, bietet sich auch partiell der höherbandige Nutzzugang eines offenen Mehrkanalsystems an. Dies ist quasi der seitliche Direkt-einstieg in eine Multiplex-Hierarchie und macht das öf-fentliche Netzangebot von Standverbindungen der netz-topologischen Linientechnik aus. (Aus der Unterscheidung von unstrukturiert und strukturiert ist die Form (und der Sitz) der Zugangsschnittstelle zu entnehmen. Während Erstere als Daten-Nutzkanäle mit sich aufteilender Band-breite beanspruchbar sind, bleiben die anderen ohne Kanalstruktur, d. h. ohne unmittelbaren, offenen Breit-band-Zugang.) Unter dem Begriff der Muxe kann man sich Boxen flacher Bauart an allerlei Aufstellorten vorstellen, aber zwecks einer Hierarchiebildung auch fachartige Vertikalein-schübe – quasi Muxe im Mux – in Schaltschränken neben-einander, deren Platzierung später noch näher beleuchtet wird. Die Eingänge als Zugänge und Abgänge einer un-teren Mutiplex-Ebene sind im Bild 1.2 von links kom-mend, während die Ausgänge nach rechts angedeutet sind, der höheren Bandbreite wegen symbolisch dicker markiert. Was vertikal im Schaltschrank (vgl. Bild 2.21) als Mehrfachzugänge und singuläre Abgänge dargestellt ist, können auch DSL-Router und/oder Schnittstellen-Ver-vielfacher, kurz SVV bzw. SSV, und/oder (Field) Device Server bzw. anderes modulartiges Equipment sein.

(Mux-)Eingänge

(Mux-)Ausgang

auch(DSL-)Router

Bild 1.2 Muxe im Schaltschrank

S M

ein Nutzkanal Strecken

S

…

…

Bild 1.1 Einfache Multiplex-Hierarchie

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1Zur ersten planerischen Feststellung des optimalen Multi-plexings dient der wurzellose Erreichbarkeitsbaum (vgl. Bild 3.49) eines Fabrikareals (ähnlich dem sich aufspan-nenden Baum, wenn eine singuläre Wurzel vorhanden ist, vgl. Bild 3.50). Dieser ist am Factory Communication Grid zur Zellenorganisation auszurichten, was natürlich ein Mehr an Kabelmetern bedeutet, aber anhand tatsächlich eingesparter unabhängiger Einzelstrecken ist diese Vari-ante einfach kalkulierbar.

Statt Ersatzstrecke, mehrere Verbindungsstrecken

Besitzen die paarweisen Multiplexer mehr als nur einen Ausgang zueinander, d. h., sie werden über mehrere Strecken miteinander verbunden, spricht man von Cross-(Connect-)Multiplexing, kurz XC, also einer Parallel-strecken-Redundanz. (Beim SDH/STM-Multiplexing glei-cher Bezeichnung ist es mit Aufgaben für Ringstrukturen anders.) Derartige Verbindungsstrecken sollten sich un-terscheiden und am besten auf Distanz zueinander ge-führt werden. Cross-Multiplexer können als Knoten (engl.: node) die ein- und abgehenden Daten-Nutzkanäle mit einem untereinander abgestimmten, internen Automatis-mus auf den Verbindungsstrecken beliebig hin und her rangieren, was – unter der Voraussetzung von Intelli-genz – einer Lastverteilung dienen mag. (Ein derartiges Schema ist nicht mit dem noch eingeführten sog. Butter-fly-Netzwerk mit zusätzlicher Knoten-Redundanz zu Netz-werkübergängen zu verwechseln.) Folgende Darstellung mit mehreren Ende-zu-Ende-Nutzkanälen in Bild 1.3 be-zieht sich auf das Multiplex-Beispiel aus Bild 1.1.

FDM (Frequency Division Multiplexing) und FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Es gibt aus der historischen Entwicklung im Groben zwei Verfahren, um ein auch bidirektional geeignetes Über-tragungsmedium mehrkanalig – oder breitbandig für nur einen Nutzkanal – mehrfach zu verwenden bzw. dem Viel-fachzugriff zu unterwerfen: Der Frequenzgang an der gesamten Bandbreite, bei Unterstellung der Busfähigkeit, wird durch sog. Getrenntlageverfahren fest geteilt (engl.:

Frequency Division Multiple Access, kurz FDMA) und den Kommunikationspartnern permanent oder erst bei Bedarf als Verbindung zugewiesen, und zwar unter Synchro-nitätsaufrechterhaltung, was später noch diskutiert wird, und stockungsfrei, was einer Echtzeit-Erfordernis entge-genkommt. (Beim Funk und LWL ist es ähnlich.) Oder es wird – im Sinne der Digitaltechnik mit bit-serieller Über-tragung – die zur Übertragung zur Verfügung stehende Zeit (engl.: Time Division Multiplexing, kurz TDM) be-müht, um eine (physikalische) Nutzkanäle-Bildung über zeitliche Slots (vgl. Bild 1.7) zu bewirken entsprechend einer festen (Basis-)Bandbreite. Alternativ kann jede Mul-tiplextechnik verwendet werden, um überhaupt Breitban-digkeit für einen oder wenige Nutzkanäle zu generieren, egal ob es ein geschlossenes oder gar offenes System zur Übertragung ist. Folgende Darstellung versinnbildlicht, wie zwei bit-seriel-le Flüsse unterwegs auf je eine (Träger-) Frequenz, unter-schiedlich schwingend, gebracht werden und anschlie-ßend wieder rückserialisiert werden.

Digital schwer nachzuvollziehen, aber Fakt

Frequency Division Multiplexing (FDM), welches histo-risch analog und noch rudimentär vorhanden sowie weiterhin von Relevanz ist für das noch angesprochene Overlay-Networking in der Digitalen Fabrik, wurde der Digitalisierung durch neuartige Modulationsverfahren zugeführt. Digital-Multiplexer arbeiten nach dem Abtast-prinzip (engl.: keying), das noch angesprochen wird und breiten Raum in der Digitalisierung einnimmt, wobei die Eingangssignale digitale Merkmale einer (Niedrigst-)Spannungsschnittstelle für eine höhere Übertragungs-frequenz haben. Auf der anderen Seite arbeitet der sich (immer) aufsynchronisierende De-Multiplexer weniger wie ein Filter, der die gewünschten Ausgangssignale nach einer Verstärkung (engl.: amplify) – digital wäre es eine Regenerierung – verzweigend an die zutreffenden Gegen-stationen weiterleitet. Auf die Suche nach systematischen Platzierungen und wie diese funktionieren wird später noch eingegangen. Was Bild 1.4 transparent veranschau-lichen soll, ist tatsächlich wesentlich komplexer, als es zunächst erscheint. Denn entscheidend ist, was und wie

Nutzkanäle Strecken Bild 1.3 Cross-Multiplexer

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etwas auf die Träger unterschiedlicher Frequenzen oder gar einer singulären (engl.: single) Trägerfrequenz, kurz TF (engl.: Carrier Frequency, kurz CF), ausgehend von analogen Merkmalen digital aufmoduliert wird. Die Ver-fahren zwischen dem Multiplexer und De-Multiplexer sind in der Regel proprietär, wenn auch elektronisch be-schreibbar, wenn es sich um Metallleiter handelt. Wichtig ist dies auch, wenn es um konventionelle, aber multiplexfähige geschlossene serielle Schnittstellen im Zu- und Abgang in der Fabrikautomation geht, die womög-lich nicht sehr weit reichen und so elektronisch gebündelt verlängerbar sind. Für den breitbandigen, digitalen Nutz-kanalzugang und -abgang gibt es eine Reihe von betriebs-sicheren Schnittstellenspezifikationen. (Wie deren Kreu-zungen sowie zusätzliche Funktionssignale an Adern in Multiplexer-Paaren gehandhabt werden, galt es schon immer nachzuprüfen bzw. mit dem Hersteller abzuklä-ren.) Derartige sich überlagernde Multiplexing-Netzwerke sind in der Diskussion, durch schnelles Ethernet abgelöst zu werden, insbesondere wenn konventionelle Schnittstel-len umsetzende, paarweise (Field) Devices und (Field) Device Server zur Automation in der Digitalen Fabrik zum Einsatz kommen sollen. Wie diese Zu- und Abgänge die elektronischen Schnittstellensignale der geschlossenen seriellen Schnittstellen auf prinzipiell physikalisch ein-kanalig umsetzen, ist dann nachzuprüfen, da es ebenso proprietärer Natur ist. Zunächst geht es hier um die möglichst homogene Auftei-lung (nebst sequenzieller Zuordnung) der zur Verfügung stehenden Gesamtbandbreite. Dabei ist pro Nachbarkanal immer ein frequenzabhängiger Sicherheitsabstand einzu-kalkulieren, der dann die (Nutzkanal-)Rasterung ergibt. (Je nach Lage im durchgehenden Frequenzband oder bei

nur einem Frequenzgang haben sich mehrere Standards eingebürgert; z. B. für Frequenzblöcke, die einem Ökono-mie-Aspekt für wertvolle Träger-Funk-Frequenzen unter-liegen, womit zu haushalten ist, z. B. im Digitalfunk um die 20-kHz-Rasterung herum.)Es gilt also gerade bei gleichzeitigen Hin- und Rücküber-tragungen über asymmetrische Leiter wie Koaxialkabel ein prinzipielles Problem zu lösen: Das eigentlich bidirek-tionale Medium mit nur einem Signalleiter muss gesplittet werden, hier im Beispiel als MidSplit. Denn es kann immer nur richtungsbezogen verstärkt werden, auch zwischen-durch (was eine Gabelschaltung erforderlich macht). Dem-entsprechend kommt zwischen Unter- und Oberband noch ein weiterer Sicherheitsabstand als relativ große Mitten-lücke wie ein Totbereich hinzu, was gut erkennbar ist in Bild 1.5. Die so realisierbare übergreifende Paarung hin und zurück, die als Duplex-Spacing bezeichnet wird, hat an einem Ende nur die Spannungsquelle.

Uni- bzw. bidirektional zur Rücknutzkanal-Fähigkeit

Was im Bild 1.4 veranschaulicht wird, besitzt natürlich keine Vor- und Rückwärts-Zusammengehörigkeit. Gene-rell wirft jegliches Multiplexing auch die Frage nach der Betriebsweise bezüglich der Einbeziehung eines Rückka-nals als Hin- und Rückausrichtung für Signalübertragun-gen auf, was als Hinweg auf der Strecke gekreuzt wird zum Rückweg und vice versus. Die Spannungsquelle muss nicht unbedingt der Datensignal-Ursprung sein. Das Augenmerk gilt in diesem Buch auch der Gleichzeitigkeit entgegengesetzter informationstechnischer Übertragun-gen, bei denen ein Zeitverlust, der aus gegenseitigen kom-

5 11 17 … 108

f

162 … 300 MHz

Bild 1.5 Koaxiales Kanalraster, z. B. 300-MHz-Band am Beispiel Midsplit

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Bild 1.4 Frequency Division Multiplexing (FDM)

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1munikationstechnischen Abfolgen der noch beleuchteten Daten-Übertragungsprotokolle resultiert, so weit wie mög-lich reduziert wird. Nicht nur Sprechen ist gemeint, son-dern Datenübertragung, wobei die Spannungsquelle an einer Endseite nicht zu wechseln braucht:

■ Wechselsprechen (Halb-Duplex), d. h. abwechselnd im Sinne eines Entweder/Oder (exklusives OR);

■ Gegensprechen (engl.: Full Duplex, oder nur: Duplex), d. h. gleichzeitige Nutzungsmöglichkeit beider Richtun-gen.

Bei der Nutzung von Voll-Duplex kann erwartet werden, dass die Datenübertragung aufgrund protokolltechnischer Abläufe schneller wird – gegenüber Halb-Duplex mit glei-cher Übertragungsgeschwindigkeit; aber auf eine Verdop-pelung der Geschwindigkeit kann nicht gehofft werden. Der Vollständigkeit halber sei auch Simplex erwähnt, ein Begriff für den prinzipiell rückkanallosen, also originär reinen und unumkehrbaren Einrichtungsbetrieb. Dieser wird ebenfalls als unidirektional bezeichnet und ermög-licht (annähernd) verzögerungsfreie Datenübertragun-gen, aber nur in einer Richtung. Gerade bei anderen Kanalnetzen bzw. Backend-Vernetzungen, z. B. DVD-Lauf-werken mit einer parallelen Bus-Natur, ist dies nicht hin-reichend miteingeschlossen und als Synonym hat sich hier ebenso Simplex eingebürgert. Ein gleichzeitiges Hin und Zurück ist und bleibt aber ein Fall für Voll-Duplex.

FDD (Frequency Division Duplex), symmetrisch oder asymmetrisch

Im Fall zweier zusammengehöriger, gegensätzlicher Nutz-Richtungsfrequenzen einer endseitigen Spannungsquelle für einen Nutzkanal spricht man von Frequency Division Duplex, kurz FDD. Beim Richtungsumschalten einer Halb-Duplex-Betriebsweise wechselt nicht die Spannungsquel-le, d. h., sie bleibt, wo sie ist für die Multiplex-Strecke. Bi-direktional stünde hier also für die Voll-Duplex-Fähigkeit, garantiert also das gleichzeitige Senden und Empfangen in der Sende-/Empfangstechnik, Algorithmierung und insbesondere das Mehrfachzugangsverfahren (MA). Es stellt sich die einfache Frage, wie sich die zusammengehö-rigen Richtungskanäle mit der oben genannten Rasterung zueinander verhalten: Gleich hohe (digitale) Bandbreiten sind symmetrisch, während verschiedene Bandbreiten, aus einer Netzbetreibersicht als Down- und Upload be-zeichnet, asymmetrisch genannt werden. Streng genom-men liegt der noch später beleuchteten DSL-Anschluss-Linientechnik auch ein Frequenzmultiplexing, zumindest oben genanntes FDD eines Nutzkanals, zugrunde, das so-wohl symmetrische als auch asymmetrische Varianten der schnellen, breitbandigen digitalen Datenkommunika-tion sowie evtl. eine (analoge und) digitale Mitbenutzung

anderer schmalbandiger Dienste zulässt. Subsummierend für mehrere Nutzkanäle mit Rückkanalfähigkeit, symme-trisch oder asymmetrisch, hat sich für Hochgeschwindig-keits-Datenanschlüsse bzw. -Zubringer die Abkürzung FDM/FDD etabliert, welche aus dem Breitbandnetz des TV-Verteilnetzes hervorgegangen ist, mit koaxialen An-schlussversorgungen. (Die Begrifflichkeit symmetrisch bzw. asymmetrisch wird auch andersartig verwendet, z. B. bei Kabeln und Vernetzungstopologien, was noch vorge-stellt wird.)

Mehr-Bandbreite für einzelne Nutzkanäle: Parallele Bits pro Schritt, trotzdem weiterhin seriell

Mit dem Ziel einer Interoperabilitätswahrung gilt es nun, für einen Nutzkanal (oder auch gleichzeitig einige Nutz-kanäle) – schon im offenen Zugang einer Schnittstellen-spezifikation – eine Breitbandigkeit zu erzeugen (bzw. sicherzustellen) oder gar durch Kopplungen zu erhöhen mit dem Ziel, mehr Bits pro Hertz zu übertragen. (Von zusammengehörigen Sub-Kanälen innerhalb eines aus-machbaren Frequenzrasters zu sprechen, wäre unzutref-fend.) Im Vorgriff auf neuartige digitale Modulationsver-fahren – z. B. 4-PSK bzw. Q und mehr sowie die unmittelbar daraus hervorgegangenen 16-/64-QAM an Mehrpegelig-keit – und passende Codierungsverfahren kann in einer gemultiplexten Parallelform die Mehrpegeligkeit etwas leisten zugunsten von Bit-Sequenzen (ähnlich sog. Wor-ten). Es werden also jetzt mehrere Bits einer Schrittfolge (vgl. Bild 1.22), gemessen in Baud, kurz Bd, am Eingang zu einem (oder mehreren) Symbol(en) zusammengefasst.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Beim statischen Frequenz-Multiplexing, das Zusammen-fassungen beinhaltet, stehen sich eben diese Symbole an mehreren Pegelstufen aufeinander und rechtwinklig (or-thogonal) exakt gegenüber, was pro Band wie parallele Unterträger (engl.: Sub-Carrier) anmutet. Hieraus folgt die Zuordnung unter dem Begriff Digital – trotz der Einzel-signal-Abrundung (vgl. Bild 1.6), die unter Dämpfungs-effekten noch behandelt wird. Dieses integrative Prinzip als weiterentwickeltes OFDM (Orthogonal Frequency Di-vision Multiplexing) verfügt über sehr hohe Bandbrei-teneffizienz und hat – bei erhöhter Schritt(folge)geschwin-digkeit (Baud) – den Effekt einer nicht unerheblichen digitalisierten Bandbreitenerhöhung sowohl auf asymme-trischen Metall-Leitern als auch auf symmetrischen Me-tall-Leiterpaaren sowie auf LWL und im Digitalfunk eines Einnutzkanalsystems. Bild 1.6 visualisiert aus der Mo-dulation und Codierung das Phasen-Frequenz-Gefüge –

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eigentlich ein Sonderfall des Sub-Framing-Zeit-Frequenz-Getrenntlageverfahrens mit Hilfe der beispielhaft gewählten einfachen 3-Pegeligkeit: Man muss es sich übereinander liegend vorstellen. Die eindeutig erkenn baren zusammen-gehörigen Signalfragmente werden beim De-Multiplexing-Schritt am Ausgang nach dem Symbol weggekippt für die folgende Bit-Rückserialisierung. (Es ist tatsächlich digital, wenn auch schwerlich an den kontinuierlichen Signalfor-men zu erkennen gegenüber klarer gezeichneten Parallel-Schnittstellen an Leitern (vgl. Bild 1.15) mit ihren sprung-artigen Übergängen.)

Verknüpfbar zu Nutzkanälen

Ein weiteres Band nebenan ist angedeutet, wie sich solche als feste oder dynamisierbare breitbandige Nutzkanäle auftun. Werden außerdem zusätzliche Trägerfrequenzen einer Rasterung hinzugezogen für nur einen Nutzkanal, so spricht man wie beim Digitalfunk von digitaler Multi-Carrier-(MC-)OFDM (ähnlich einer Vielträgermodulation für nur einen Nutzkanal). Dies, was bei Glasfasern meh-rere optische Durchlass-Fenster einnehmen würde, hat als Art Underlying auch bei der LAN-Technologie Einzug ge-funden. (Ansonsten steht Orthogonalität für LWL (Ortho-gonal Wavelength Division Multiplexing, kurz OWDM) noch am Anfang der Entwicklungen.) Die generierte Symbolrate kann mit der Bitrate identisch sein. Wenn gute Gründe dafürsprechen, kann die Baud-rate zeitbezogen sogar höher als die Bitrate sein, wie beim noch angesprochenen Manchester-Verfahren für das ur-sprüngliche 10-Mbit/s-Ethernet. Es kann so bei nicht ex-trem hoher Nutzungsbitrate auch in Bit pro Sekunde, kurz BPS bzw. bit/s, pro Band gespreizt werden, was der Ro-bustheit entgegenkommt und wodurch innerhalb der Fab-rikationsstätte auf die schwierigen Verstärker in zwei Richtungen sicherlich verzichtet werden kann. Es gilt zur Interoperabilitätsherstellung eine geeignete Signalcodie-rung zu finden, die außerdem einen (wenn auch nicht hin-reichenden) Beitrag zur gesicherten Übertragung von Re-dundanzanteilen liefert. (Dies wurde früher nur mittels

eingestreuter Bits oder einfacher Prüf-Bytes gehandhabt.) Codierungsverfahren können mit einem extrem großen Aufwand so mächtig sein, dass die sog. Modulation auf Symbole entfallen könnte. Ziel jeglicher elektronischer Leitungscodierung, wovon es normativ einige für Span-nungsschnittstellen gibt, ist auch, dass im Mittel keine Polarität überwiegt und so die Stabilität erhöht wird. (Po-larität darf nicht mit Polarisation verwechselt werden.) Ein Evolutionsschritt des CDM (Code Division Multiple-xing), wie zum Digitalfunk als CDMA noch behandelt, für Festmedien ist ausgeblieben – was auch so oder so ähnlich als proprietäre Interna für gemultiplexte Strecken infrage kommt und quasi einen Verschlüsselungseffekt hat.Das nutzkanaltechnisch entstandene Gebilde – von dem es auch durch Modulation (und Codierung zusammenge-hörig) mehrere, parallele geben kann – wird in diesem Zusammenhang der Koppelbarkeit und Zusammengehö-rigkeit mit Lanes (dt.: evtl.: Fahrbahn, -spur, -streifen) einer Richtung bezeichnet, sowohl beim metallischen Festmedium als auch bei den LWL des Gigabit-Ethernet, bei dem (zurzeit) vier, acht oder zehn die Regel sind. Dabei geht es nicht nur um einen wichtigen Beitrag zur gene-rellen Mehrfachnutzung bzw. zur erhöhten einkanaligen Breitbandigkeit. Ferner bedeutet dies eine weniger emp-findliche Signaldämpfung und (folgenschwere) Signalver-fälschung, da eine zu erwartende, digitale Intersymbol-Interferenz kaum machbar ist (durch Lücken) und die höhere digitalisierte Gesamtkanalbandbreite dynamisch bildbar wäre.

Verteilte Bandbreite

Alternativ wird auch bereits praktiziert, dass bei gefor-derter extrem hoher Übertragungsgeschwindigkeit, z. B. 10-Gbit/s-Ethernet und mehr, die Gesamt-Übertragungs-bandbreite als serielles – genauer: serialisiertes – Ein-kanalsystem je Richtung auf oben genannten Lanes ba-sierend sogar zusätzlich auf mehrere, untereinander ge nauestens angepasste Parallel-Leiterpaare bzw. LWL-Fasern verteilt wird. (Eine vage Verdrillung bzw. extrem

t („Sub-Framing“)

Band 1

weiteres Band

Bild 1.6 OFDM im Phasen-Frequenz-Gefüge mit Symbole-Übertragung

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1geringe Schlagzahl der Fasern genügt zur indikativen Zu-sammengehörigkeit.) Es könnte aber auch je (nur) eine Richtungs-Lane je einer Richtungsfaser sein. Ähnliches ist bei Frequenzen mit asymmetrischen Leitern oder im Funk möglich. Es sind auch Kombinationen denkbar, z. B. zwei Richtungs-Lanes für die erste Richtungsfaser, weite-re zwei Richtungs-Lanes für die zweite Richtungsfaser etc. Kurzum: Je nach Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sind un-terschiedliche Variationen möglich.

Wavelength Division Multiplexing (WDM) mehr- und einnutzkanalig

Ähnlich dem FDM auf Metallleitern oder im Funk verhält es sich bei den noch intensiver behandelten LWL als Pas-sivmedium, nur dass für Träger statt Überfrequenzen im Hertz-(Hz)-Maß jetzt die Rede von Wellenlängen (engl.: wavelength) in Nanometern (nm) ist. Folgendes wird spä-ter noch an verschiedenen Formen sowohl des Active Op-tical Networking, kurz AON, als auch des Passive Optical Networking, kurz PON, vertieft: Statt (recht preiswerter, aber sperriger) Faser-Bündel ist es die Innovation einer neuartigen, vorweggenommenen Multiplexform, mit ei-nem oder mehreren Nutzkanälen pro Faser mit Wave-length Division Multiplexing, kurz WDM, sowohl unidirek-tional wie auch bidirektional nutzbar, wobei auch mittels Sub-Kanälen die gekoppelte Ein-Nutzkanaligkeit einer ex-trem hohen Bandbreite erzielt werden kann. Statt Träger-frequenzen gibt es – im Idealfall gerasterte – Durchlass-Fenster (engl.: window) nach grob (engl.: coarse) und dicht (engl.: dense) unterteilt, aber eher sehr entfernungsre-striktiv. Diese beiden Varianten werden später noch näher vorgestellt und es wird auch darauf eingegangen, welche Notationen der optischen Bänder einschließlich Reich-weiten-Auszeichnung hinsichtlich der elektro-optischen Technik verwendet werden. Hintergrund ist die techno-logische Weiterentwicklung inkl. der Abänderung von Materialeigenschaften, vornehmlich des LWL-Kerns, die weitere, voneinander unabhängige Kanäle mit günstigem Dämpfungsverlauf öffnet(e). Diese Kanäle sind mit genau-en Angaben der Wellenlängen eines Von-bis-Bereichs ver-sehen und sie werden – mit dem Funk vergleichbar – als Bänder gekennzeichnet (z. B. O, E, S, C, L, U), die sogar bis in den sichtbaren Bereich hineinreichen. Eine Hierarchie-Bildung ist bei WDM ausgeschlossen, wenn nicht zum Ge-schwindigkeitssprung jeweils erst elektronisch umgesetzt wird in derart geschlossenen Systemen.

WDD

Man bedient sich endseitig des nur Punkt-zu-Punkt- förmig Möglichen an synchronen Multiplexern und De-Multiplexern vorläufig passiver (optischer) Filter, auch als Splitter bezeichnet. Der Unterschied zum oben genannten FDD ist, dass es keine Mittenlücke gibt, sodass mit einer einzelnen Faser (Simplex) sogar mit Voll-Duplex-Betrieb durch zwei Farben auf Abstand, bestimmt durchs Dämp-fungsprofil, je in einen gleichzeitigen Hin- und einen Rück-Nutzkanal aufgewartet werden kann – statt wie ge-wohnt die Duplex-Doppelfaser (Duplex) als Zwillingsfaser hin und zurück einzusetzen. Das zählt auch für ein ein-nutzkanaliges WDD (Wavelength Duplex Divison). Der-artige Interoperabilitätsanforderungen sind jedoch noch nicht gestellt worden. In Fortschreibung und bei Varian-ten haben sich zurzeit die Begrifflichkeiten symmetric, für die Voll-Duplex-Fähigkeit stehend, und asymmetric für Halb-Duplex eingebürgert. Bei Letzterem wechselt beim Richtungsumschalten die Signalquelle.

TDM, TDMA und TDD

Für eine Nutzkanal-Bandbreite von 64 kbit/s werden bei dieser Linientechnik streng periodisch wiederkehrende Zeitschlitze (engl.: slot) zu einem statischen Multiplexing zugrunde gelegt für ein Zeitgetrenntlage-Verfahren, wie im Bild 1.7 veranschaulicht: Time Division Multiplexing, kurz TDM. Was bis auf die Bit-Ebene einen Slot ausmacht, definiert so die verschachtelten Nutzkanäle, was zu einer Frame-Ordnungsstruktur (dt.: Rahmen) gebracht wird, eben durch Zusammengehörigkeit der regelmäßig ver-setzten Zeitschlitze. (Unter Frame wird in der paketi-sierten Datenkommunikation der HF-Technik allerdings etwas anderes verstanden, vgl. Bild 1.11, nämlich die Rah-mung selbiger mit Zusatzinformationen wie Adressierung und Übertragungssicherung, bezogen auf die Schicht 2 nach dem OSI-Referenzmodell, worauf – im Versuch – ver-zichtet wird.)Synonym zur Systemtechnik PCM (Pulse Code Modula-tion) zur Digitalisierung, die auch Quantisierung genannt wird und nicht nur von der Wandlung von (zeit- und wert-kontinuierlichen) Analog-Signalen einer Quelle ausgeht, wird das (mit dem Zwischenschritt Basisband), was pas-send in einen Slot gebracht wird, als Puls bezeichnet (und ist nicht zu verwechseln mit Impuls). Aber auch als digita-les Modulationsverfahren werden Eingangssignale mit

t

5. Kanal

Rahmen RahmenRahmenRahmen

2. Kanal

Bild 1.7 TDM (Time Division Multiplexing): Slots für Rahmen

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1Digitalmerkmalen ohne Datenpaket-Bildung zwecks der digitalen Bandbreite abgetastet (vgl. Bild 5.3), deutlich verstärkt und regeneriert ausgegeben. Als Vielfach-Zu-gangsverfahren Time Division Multiple Access, kurz TDMA, zur Aufnahme von auf der Zeitachse verteilten und zudem verschachtelten bit-seriellen Ursprungsdigitalsig-nalen aufs passive MultiPoint-(MP)-Kabel tut es sich aber schwer – trotz gesicherter Interoperabilität. (Die Rede ist vom So-Bus mit vielfältigen Abbildungen an 2+1-Nutzka-nälen als Mehrgeräte-Hauptanschluss, wobei diese aller-dings sich direkt untereinander nicht erreichen können.)

Organisierte Zeit als Ressource

Das erste, also gröbste Zeitraster, das so getaktet ist und aus dem öffentlichen Netz(/dienst) kommt, liegt bei 8 kHz und kehrt entsprechend alle 125 µs wieder. Dieses kann bis in den Anschluss der Inhouse-Steckdose hineinrei-chen und verläuft womöglich sogar über eine herkömm-liche TK-Anlage hinweg. Feiner heruntergebrochen erge-ben sich gemäß dem europäischen Standard (strukturiert) 30er- bzw. in Nordamerika 24er-Nutzkanäle. So werden für Fernleitungen auch Hierarchien mit weiteren, fein rhythmischen Rahmen(er)kennungsworten dazu – darun-ter fallen hier auch Byte-serielle Zusammenfassungen – gebildet, welche aus speziellen Bitkombinationen, auch Pulse genannt, bestehen. (Gewählte Nutzkanal-Verbin-dungen benötigen darüber hinaus zusätzliche Kanäle, die die umfangreiche Signalisierung aufnehmen als pake-tisierte Zeichengabe.)Höherbandige, statische Nutzkanäle werden in aufeinan-derfolgenden Rahmen (engl.: frame) gebildet mit dem Multiplikationsfaktor 4 für den (unstrukturiert) unmittel-bar offenen Breitbandigkeit-Zugang an Schnittstellen-Spe-zifikationen der Festverbindungen: 2 Mbit/s, 8 Mbit/s bzw. n · 2 Mbit/s, 34 Mbit/s und (ca.) 140 Mbit/s. Diese Offenheit ergab auch Möglichkeiten, wie die eines Quer-einstiegs in die Hierarchie, was mit (privaten) vorkonzen-trierenden Access Multiplexern, einzeln oder auch paar-weise zum Zu- und Abgang, möglich war.Was dabei als plesiochron bezeichnet wird, woraus sich Plesiochronous Digital Hierarchy, kurz PDH, ableitet, und hierzulande von der nordamerikanischen Festlegung et-was divergiert, ist eine im Sinne von Fast-Zeitgleichheit sehr großzügige Synchronität. Dazu wird unter Umstän-den mit Bits gestopft und diese wieder entfernt, um einen Zeitabgleich zu erreichen. Das heißt, eine notwendige Taktung für das Bit-Erkennen in der Empfangselektronik wird abgeleitet und beim Senden in den nächstmöglichen höheren Rahmen mit einem Geschwindigkeitssprung in direkt beanspruchbare digitale Bandbreite umgetastet (engl.: shift keying). (Ein weiteres Gestaltungsmerkmal sowie eine Gestaltungseinheit kann der sog. Burst sein.)

Wenn es gilt, das schnellere, wenn auch unscharfe Inter-vall abzuwarten, bis man an die Reihe kommt, so limitiert das natürlich die Bildung noch höherer Nutzer-Übertra-gungsraten bzw. die Hierarchie für Standverbindungen. Dies beginnt unten in der Ebene der sog. Primarmultiplex-Stufe mit 2 Mbit/s, bezeichnet als E1 (eine auf 80 kBaud basierende Signal-Codierung 2B1Q1), bzw. mit 1,5 Mbit/s als T1 bzw. DS1 nach nordamerikanischer Festlegung (mit der Codierung HDB-2, einem Pseudo-Ternär-Code) und der Wechselspannung ± 2,6 V und endet als 4. Stufe bei 140 Mbit/s bzw. nach nordamerikanischer Vorstellung bei 155 Mbit/s. Wo dieses Multiplexing hier definitiv am Ende ist bezogen auf die Breitbandigkeit, erfolgt der Über-gang zum notwendigen Synchronbereich, worauf noch unten eingegangen wird. Selbstverständlich werden be-reits zuvor höherwertige Medienmerkmale (Vierdraht-technik, Koaxkabel, LWL, Richtfunk u. a.) zum Einsatz kommen, um Breitbandigkeit der Stufigkeit und Entfer-nungsüberbrückung (operative distance) zu gewährleis-ten. (Außer bei Vierdrahtverbindungen, bei denen zwei gekoppelte Richtungspaare zu Voll-Duplex-Nutzkanalbil-dungen führen würden, sind es jedoch in der Regel, z. B. beim bereits digitalen ISDN (Integrated Services Digital Network), geschlossene Netzwerksysteme, deren Interna proprietär die Richtungskopplung bewältigen, also nicht über erwähntes Full-Duplex-Spacing verfügen.)Ein Zeitgetrenntlageverfahren mit vorteilhafter Verwen-dung hinsichtlich der digitalen Nutzkanalbildung – dies gilt auch für Rückkanäle – offenbart aber eine Schwäche, wenn es um die notwendige Zeitlücke (engl.: gap) bezüg-lich einer zeitlichen Rasterung des (möglichen) gleichzei-tigen Hin und Zurücks in der Verschachtelungspaarung als TDD (Time Division Duplex) geht. Auch hier, beim Richtungsumschalten einer Halb-Duplex Betriebsweise wechselt nicht unbedingt die Spannungsquelle. Das, was als Voll-Duplex machbar ist, reicht lediglich für den An-schluss- oder Internbereich über wenige Kilometer.

ATM

Eine Zeit lang wurde der universelle Asynchronous Trans-fer Mode, kurz ATM, der auch als Breitband-ISDN für alles bezeichnet wurde und eine Art breitbandige Fortsetzung zu PDH bilden sollte – und dann dynamischer Natur war –, als Lösung gesehen, bei der mit Zellen mit einer kurzen Einheitslänge von 53 Byte (abzgl. Overhead, 5 Byte) virtuelle Verbindungen (über Paths und Channels) identifiziert werden. Dies führte zum Ausblick auf offene Systemtechnik und Schnittstellen. Außerdem gab es Vor-stellungen zu differenzierten Verkehrsarten, Quality of Service (QoS) und Access Control/Admission, die in einer umfangreichen Signalisierung an (weiterhin) paketisier-ter Zeichengabe resultierten. Geblieben ist, bezogen auf

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1Gewähltes (engl.: call) und permanente Verbindungen, dass es nur sehr wenige, dedizierte Einsatzbereiche gibt. Für eine mögliche Hierarchie-Bildung wäre es als vorkon-zentrierende Netztechnik weiterhin tauglich. Rudimentär findet es sich noch als Leistungsvarianten an erzielbaren Übertragungsraten aufsetzend in der variantenvollen DSL-Anschlussnetz-Linientechnik.

Kombiniertes FDM(A) und TDM(A)

Natürlich kann ein FDM-Kanal nach vorheriger (Träger-)Modulation auch TDM-Nutzkanalbündel aufnehmen, so-dass sich so gesehen die Gesamtkanalanzahl verviel-fachen würde bzw. physikalische Kanäle einer Übertra-gungsstrecke Subkanäle nach dem TDMA-Verfahren ergeben, die sich jeweils (noch) weiter unterteilen ließen. Ein derartiges kombiniertes Frequenz-Zeitlage-Vielfaches mit gesamtbreitbandig Ein- bis Wenig-Nutzkanaligkeit ge-neriert, wird aber sehr selten der Fall sein, da es eben – ohne Umweg über das Analoge – mit konsequenter Digi-taltechnik einfacher geht. (Zu beachten ist, dass man kei-nem Trugschluss erliegt, da diese Methode entweder nur auf Kosten der Zeit bzw. Zeitübertragungseinheit oder des Kanals bzw. der Kanalbandbreite jedes Teilnehmerpaares zu verwirklichen ist.)

Ein Beispiel, wenn die Zeit für die Entfernungsüberbrückung nicht reicht

Im Digitalfunk – Grundlage des ersten konsequent digita-len Zellular-Mobilfunknetzes, auch bei rein stationärem Gebrauch, der als GSM bekannt ist – wird so auf ein kom-biniertes Frequenz- und Zeitgetrenntlageverfahren mit FDD-voll-duplex-fähigen Nutzkanälen innerhalb eines Frequenzbündels bzw. -blocks ausgewichen. Es bleibt aber – trotz oft vorfindbarer Funkfeldstärke vor Ort – prin-zipiell eine funktionale Erreichbarkeitsgrenze, herrüh-rend aus den sehr kleinen Zeitschlitzen gegenüber der physikalischen Laufzeitproblematik, resultierend in einer Plesiochronität. (Von einer Synchronisation kann hier ja nicht gesprochen werden.) Die ansonsten nutzfeldtech-nisch zu bewältigenden Entfernungen (engl.: operating distance) sind eben aus diesem Grund limitiert. Beispiel: Der maximale Durchmesser einer GSM-Zelle von ca. 36 km ergibt sich zum einen aus (nur) tolerierten Lauf-zeitunterschieden (max. 16 µs), zum anderen aus der Ge-samtsignallaufzeit (max. 233 µs) bis zur Zellengrenze ei-nes Aufenthaltsstandortes und zurück. Und bei extrem hohen Nutzdaten-Übertragungsraten müssten folglich die Funkzellen umso kleiner ausfallen.Sollte es mit der Entfernungsbewältigung einer breitban-digen Fernleitung oder bei produktionstechnischen Groß-anlagen nicht klappen, kommt ein im Folgenden vorge-

stelltes Underlying SDH/STM-Multiplexing mit Access Nodes (AN) zum Zuge, dessen prinzipielle Ring-Ausle-gung Vorteile hinsichtlich der vorsorglichen Redundanz liefert. Es könnte als Full Service Access Nodes (FSAN) bzw. Multi-Service Access Nodes, kurz MSAN, neben Sonderdiensten jeweils über 1000 Teilnehmeranschluss-leitungen, kurz TAL (engl.: Subscriber Access Lines, kurz SAL), aus dem Kupfer des konventionellen Telefondrahts bedienen. (Gedacht ist hierzulande bei einem derartigen Metropolitan Point-of-Presence (MPoP) an die Standorte der (verbliebenen) passiven Hauptverteiler, kurz HVt, bzw. aktiven Kabelverzweiger, kurz KVz.) Mehrkanal-Multiplexer können auch mehr als einen Ausgang für die gemultiplexte Strecke haben, wobei sich die Frage stellt, wie die Verkehrsströme wieder verzweigt (Mapping) wer-den; in Form von Knoten könnten diese Aufgabe auch Hy-bride einer Datenpaketvermittlungstechnik übernehmen. Auch dort sind die Carrier-Festverbindungen, kurz CFV, mit regulierten Überlassungsentgelten für den Wettbe-werb zunehmend mit dem Underlying SDH/STM für die schnellere Ethernet-Überleittechnik ausgestattet (was zu-vor nur PDH-basiert war).

STM/SDHNotwendiges synchrones Multiplexing auf Entfernung: teuer, da aufwendig

Synchronität, d. h. strenge Zeitgleichheit – unter Abzug der später noch geschilderten physikalischen Signallauf-zeit (NVP) im Festnetz-Medium – ist eine Notwendigkeit für breitbandige Verbindungen in die Ferne, aber auch für industrielle Großareale/Zonen und verteilte, unmittelbare Standorte eines Unternehmens. Diese Notwendigkeit er-wächst aus dem einfachen Umstand, dass zur weiten Ent-fernungsüberbrückung bei mehr als zweifacher Regene-rierung schneller optischer Signale die Verbindung zu scheitern droht und ein Synchronitätsmechanismus zum Einsatz kommen muss bzw. ein Cross-Connect-Multi-plexer (oder allgemein ein Switch o. Ä.). Deren Aufgabe ist die Aufsortierung der nun geschaffenen Virtual Container für Bit-serielle Daten anstelle von Slots/Frames und/oder Frequenzen. Der Folge ist, dass das Ganze zur umgreifen-den Netzlayout-Fragestellung eines geschlossenen Mehr-nutzkanalsystems wird. Unter bündelnden Multiplexing-Gesichtspunkten werden (auch hier) Ebenen einer nun synchronen Digital-Hierarchie (SDH) gebraucht, oft syn-onym zum streckenbezogenen Synchronous Transfer Mode (STM) bzw. bei nordamerikanischer Ausprägung ausschließlich zum rein auf LWL basierenden Sonet (Synchronous Optical Networking) einer Standard-Her-stellerbezeichnung. Auf einer ähnlichen Grundlage der Standardreferenzierung reichen die komplexen, aber mit wenig Overhead daherkommenden Multiplex-Verfahren,

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1welche nach Section, Line und Path unterscheiden, mit jeglichen breitbandigen Digital-Fernmeldeinfrastrukturen im Hintergrund.In der Regel, aber nicht zwingend, werden tatsächlich weitreichende unidirektionale Verkehrsringe mit großem Durchmesser gebildet. Für den Terminal Access für breit-bandige Teilnehmerstationen, welcher auch Übergänge für andere Netztechniken vor Ort, wie LANs, anbietet, werden zusätzlich oft nicht selbstständige, passive Neben-ringe gebildet, welche immer regeneratorlos sind. (So passiv sind diese allerdings nicht, denn sie springen an, wenn Nutzerverkehr anliegt.) Während man bei Letzte-rem alternativ auch von Add-&-Drop-Multiplexern (ADM) oder Access Nodes (AN) bzw. ausschließlich bei LWL vom ROADM (Remote Optical Add & Drop Multiplexer) spricht, kommen gerade bei den Verknüpfungen aktiver Ringe Digital-Cross-Connect-Multiplexer (DCC, auch DXC) zum Einsatz, die fast wie Vermittlungsstellen für die ange-sprochenen Virtual Container der Nutzkanäle mit durch-gehender oder abschnittsweiser Bündelung dahinter wir-ken. Derartige eingebrachte Multiplexer vereinen die Voll- Duplex-Richtungsbezogenheit. (Bidirektionale Regenera-toren gehören in die aktiven Hauptringe, wenn über-haupt.) Es können auch Einzelstrecken als eng gefalteter Ring – wie eine Zwillingsfaser anmutend – gebildet wer-den, die so nur als (aktive) topologische Linien-Strecke, sternförmige Versorgung oder gar als Baum realisierbar sind. Bild 1.8 zeigt, wie auch komplexe Ringstrukturen aus mehreren besagten Cross-Connect-Multiplexern und

Add-&-Drop-Multiplexern in Aktiv- und Passiv-Ringen ge-bildet werden.Wenn es nicht gerade sehr weit reichende aktive Einzel-strecken sind, die tatsächlich auch Ringe darstellen (vgl. Bild 3.65), so sind SDH/STM-Ring(e)-Konstrukte immer regional begrenzt wegen der Aufrechterhaltung der not-wendigen Gesamt-Synchronität. (Für jede weitere Ver-knüpfung dieser geschlossenen Systeme ist eine spezielle Überleittechnik notwendig, die eben keine Multiplextech-nik ist und die oft auf schnellem Ethernet basiert – auch graduell gesehen mit regulativ gefassten Sub-Bitraten – realisiert als Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder als Multi-point-Bus mehrerer gekoppelter Ring-Konstrukte, was so-gar redundant gestaltbar ist.) Ansonsten haben die passiven Verkehrsring-Bildungen z. B. als Zwillingsfasern im Zugang zum Aktivring die Aufgabe, dass bei einer Un-terbrechung von dieser Stelle automatisiert Links-rechts-Rückringe gebildet werden. Natürlich können auch aktive Hauptringe Rückringe bilden, sodass die strukturelle Ver-sorgung im Takt bleibt (wenn auch mit Abstrichen wegen längerer Signalläufe). Nach dem Pointer-(dt. etwa: Zeiger)-Abriss zwischen unten genannten Containern mit inter-nem Alarm (engl.: alert) zur Folge und mittels eines Auto-matic-Protection-Switching-Reaktionsmechanismus (APS) einschließlich Neu-Aufsynchronisation erbringt SDH/STM eine Spitzenleistung bezüglich der Ausfallsicherheit mit weniger als 50 ms Reaktionszeit. Zu bedenken ist, dass in diesem Fall – und das selbstverständlich immer – 50 % der Kapazität für den Rücklauf der gleichen Ziel-bitrate freigehalten werden müssen.

…

Regenerator

Cross-Connect-Multiplexer

Add-&-Drop-Mulitplexer Bild 1.8 Komplexe Ringstrukturen mit Multiplexer für aktive Hauptringe und passive Nebenringe

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1Weitere Ausstattungen betreffen den Umstand, dass Feh-ler, Defekte und Anomalien deutlicher erkannt und diffe-renzierter gemeldet werden. Die verwendeten Daten-schnittstellen dürfen höchstens eine Bitfehlerrate (BER) von 10 – 10 aufweisen. Selbst einzelne Bitfehler in einem SDH-Signal – naheliegend ist eine 64/65B-Blockcodie-rung – mit beliebiger Rate sind detektierbar. Insgesamt sind SDH-Netzwerke auf allerhöchste Dienstgüte und -ver-fügbarkeit ausgelegt.Man spricht – anstelle von Slots oder Frames – für Nutz-kanalbildungen vom Virtual Container, kurz VC, einbezie-hend die Hierarchie im (mindestens) zweidimensional zu sehenden Zeitlage-Vielfach, aufgelöst in Spalten und Rei-hen wie in den oben genannten Multiplexern und Nodes, denen ein Indexverfahren der unvermeidbaren Signallauf-zeitverzögerungen zugrunde liegt. Das ist ein probates Mit-tel, das (trotzdem) Hierarchie-Bildungen bewirkt und so nicht nur feste Nutzbandbreiten verschiedener Access Pay-loads erzeugt. Diese Virtual Container sind unmittelbar bzw. bei Regeneratoren transparent pro Hierarchie-Ebene (hier engl.: level, layer, step, carrier, circuit, unit) nach oben als mittel- bis hochratiger Single Access beanspruchbar. Es wird zum offenen System für diverse geschlossene Zu- und Abgangsschnittstellen nach Standards, sogar für offene wie beim Ethernet. Dazu gesellen sich jede Menge (bereits be-kannte) Stopfvorgänge und die folgende Wiederentnahme; eine (Zwischen-)Pufferung oder vergleichbare Effekte gibt es jedoch nicht. (Eine Verständnisschwierigkeit besteht da-rin, dass diese Payload bereits vorher zum Ein- und Aus-gang hin mehrnutz kanalig einer internen Schnittstellen-spezifikation folgend gemultiplext und sogar (einkanaliges) sehr schnelles Ethernet sein kann, aber auch als Access Node von einem xDSL-DSLAM kommen kann.)Darüber hinaus werden mitgegebene Pointer-artige vir-tuelle Verkettungen (engl.: Virtual Concatenation, kurz VCAT) – manchmal auch als Envelope bezeichnet – für passgenaue Übertragungseinheiten (engl.: Transmission Units) möglich, wenn mit dem nächsthöheren Level zu viel Transportkapazität verloren gehen würde. Zusam-men mit dem Link Capacity Adjustment Scheme (LCAS) gewährleistet dieses System ein- und ausgangsseitig sogar die Flexibilität für dynamische Bandbreite während des laufenden Betriebs im Sinne von Hinzu- und Wegschalten von Teilkapazitäten, aber auch, um die Bandbreite zu ver-zweigen, z. B. im Hinblick auf unterschiedliche Wege. (Dieser Modus ist hierzulande kaum vorzufinden.) An-sonsten wäre zum Transport der sog. Start-Level als STM-1, europäisch mit 155 Mbit/s bzw. nordamerika-nisch mit 140 Mbit/s, für die sog. Link Capacity anzuset-zen, welche sich aus 2430 Bytes als Frame × 8 bit × 8000 Frames pro Sekunde starr berechnet. (Dieser Level passt gerade noch so zum breitbandigen Digital-Richt-funk, wie später noch angesprochen.)

Für als passiv definierte optische Träger (Optical Carrier, kurz OC) von Fern- und Nahleitungen, ausschließlich ab STM-4 bzw. STS-12 (Level), denen aktive Komponenten hinzugefügt werden, wird eine extrem schnelle Pulsung (On-/Off-Keying) – ein Basisbandverfahren, also als Re-turn-to-Zero (RZ) zu sehen – erwartet (deren Grenze aller-dings bereits erreicht erscheint). Eine grobe Hierarchie an Übertragungsgeschwindigkeiten gibt auch der Sonet-Stan-dard – wenn auch nicht global nach ITU genormt. (In Fort-setzung aus dem Multiplikationsfaktor des Grundwerts wäre über die kleinen Unterschiede der tatsäch lichen digi-talen (Richtungs-)Nenn-Übertragungsrate und der erzeug-ten Nutzdatenrate (Payload) großzügig hinwegzusehen.) Die Analogien finden sich nicht durchgängig, aber sind im Groben ausgehend von oben genannten 155 Mbit/s (s. Ta-belle 1.1): STS-3 = OC-3 = SDH 1 (auch Level 1, d. h. das unterste); für 622 Mbit/s STS 12 = OC-12 = SDH 4; für 2488,32 Gbit/s STS-48 = OC-48 = SDH 16 etc. (Level 0 hat sich für 34 Mbit/s eingeschlichen.) Andere Notationen, die aber korrespondierend sind, sind allgemeiner, wie z. B. Optical Transmission Units, kurz OTU, eines Optical Transport Networkings, kurz OTN, aber auch granularer, wie STM-Postfix (Synchronous Transport Module) bzw. STS-Postfix (Synchronous Trans-port System: Step); Letztere sind mit der OC-Notation iden-tisch.Zielführend ist nicht nur, die zuvor erwähnten PDH-Ebe-nen als offene Zugangsgrundlage zu berücksichtigen, ins-besondere und passend zu STM-1, der letzten, also vierten Ebene nordamerikanischer Ausprägung. Vielmehr sind – spezifiziert für (geschlossene) interne Schnittstellen – wie bei einem Quereinstieg der Interoperabilität höherratige eigenständige Transportkanäle des permanent Stehenden anzubieten. (Das ist statisch Gemultiplextes wie unstruk-turierte oder eigenständige Strukturen an Nutzkanälen.)

Tabelle 1.1 Sonet gegenüber SDH-Übertragungsbitraten

Ebene Abkürzung Übertragungs-rate

Optical Carrier Level 1 OC-1 52 Mbit/s





Optical Carrier Level 24 OC-24 1,2 Gbit/s





Optical Carrier Level 768 OC-768 40 Gbit/s

Optical Carrier Level 3072 OC-3072 160 Gbit/s

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1Um paketorientierte IP-Daten sowie Formen des dynami-schen Multiplexing direkt in einen SDH-Container zu map-pen, wurde das Transportprotokoll LAPS (Link Access Pro-cedure SDH) entwickelt.

over-SDH/Sonet

Beim GFP-Protokoll (General Framing Procedure) ver-schiedener Ausprägung werden komplette Ethernet- Pakete und andere, wie z. B. der Fibre Channel, direkt in Virtual Container verpackt, d. h., sie werden im mehr-dimensionalen Zeitlagevielfachen auch verteilt. (Zwei Modi sind definiert: Transparent GFP und Frame Mapped, wie aus der Übertragungssicherungsschicht vorliegend, was bedeutet, dass etwas eingangsseitig an Header und Trailer (vgl. Bild 1.11) abgestrippt und ausgangsseitig später wieder identisch hinzugefügt wird.)

Lokaler Fernverkehr mit Underlying

Ziel ist auch, die (Carrier Grade)-Transportkapazität von Fern-Gigabit-Ethernet und weiteren Anschluss(netz)- Linientechniken im City-Bereich in digitale, gleiche (Rich-tungs-)Nenn-Übertragungsraten passend zu einer der synchronen Hierarchieebenen eines SDH/STM-Under-lyings zu führen bzw. verzögerungsfrei zu überführen. (Denn aufgrund der eigentlich asynchronen Natur des Ethernets – die Synchronität wird nur während der Paket-laufzeit aufrechterhalten – reicht es übertragungstech-nisch nicht weit.) Der derzeitige Stand des optimalen Transcoding & Mapping beläuft sich bei 10 Gbit/s auf 9953 SDH/Sonet als STM-64 (EU) bzw. OC-192 (ANSI) bzw. OTU-2/e (ETSI, ITU-T G.703 OTN). Bei 40 Gbit/s wür-de ebenso gut STM-256 bzw. OC-768 bzw. OTU-3 passen. (Die kleinen Differenzen sind nicht ausschlaggebend, da Ethernet zwischenpaketbezogen asynchron läuft.) Eher unpassend wären STM-0 und STM-1 für 10 Mbit/s bzw. 100 Mbit/s, genauso wie viel zu groß – ja geradezu ver-schwenderisch – bei einer (nur) festen Transportkapazität von STM-16 bzw. OTU-1 für Ethernet mit 1 Gbit/s. Frak-tionelle Übertragungsraten des schnellen Ethernets wie 50 Mbit/s, 150 Mbit/s, 300 Mbit/s, 500 Mbit/s, 2,5 Gbit/s etc. und andere finden schon ihren Platz in der SDH/STM-Hierarchie.

Die Herausforderung des Self-Doing optischer Träger

Um breitbandige Verbindungen industrieller Großareale/Zonen und/oder verteilte, unmittelbare Standorte eines Unternehmens sowie extrem schnelle Ortsstrecken zwi-schen Betriebsstandorten zu realisieren, eröffnet die (De-)Regulation Möglichkeiten, nämlich z. B. die der über die

Grundstücksgrenzen hinausreichenden Selbstverlegung von Kabeln (eines Customer Premises Networkings, kurz CPN). Kandidaten passender Multiplexverfahren wären etwa das sehr schnelle Ethernet direkt, was noch umfang-reich präsentiert wird, man kann aber auch eigenes, sinn-volles SDH/STM-Underlying für schnelles Ethernet, näm-lich der eigenen (aktiven) Optoelektronik zum CPE (Customer Premises Equipment), eigene Beschaffung und Inbetriebnahme einbringen, auch im Auftrag. Hierfür gibt es Angebote an Leerrohren (bzw. -systemen) zum Ein-ziehen bzw. zum Einblasen der dazu notwendigen, ebenso eigenen LWL.Alternativ kann man an das kundenindividuelle, d. h. ver-handelbare Angebot anknüpfen von unbeschaltet r – ohne Optoelektronik und ohne deren aktive Komponenten – Dark Fibre und diese nach LWL-Typ und Faserart der Regional- und City-Carrier mit ihren Wegerechten (als Eigentümer oder Betreiber öffentlicher Telekommunika-tionsnetze) direkt nutzen. Es wäre möglich, auch LWL-Steckverbindertechnik zu wählen und die Dark Fibre bis in die Fabrik geliefert zu bekommen. Darauf wird noch unter dem Begriff der MFG (Multifunktionsgehäuse) spä-ter eingegangen, wobei diese auch über passive Schalt-verteiler-(SVt-)/-felder verfügen.

Dynamisches Multiplexing mit Datenpaketen

Unter statischem Multiplexing der bisherigen Anschau-ung – von und für permanent und nicht permanent stehende, aktive Verbindungen – werden physikalische (Ein- oder Mehr-)Kanäle verstanden, die der Zeit- und Fre-quenzlage sowie Symbolbildungen unterworfen sind, mit der Ausnahme des oben erwähnten dynamischen Multi-plexing einer wenig bekannten SDH/STM-Variante. Statt des streng Bit-Seriellen (vgl. Bild 1.4) kann die Multiplex-Funktion auf eine sequenzielle Paketisierungsebene ge-legt werden, was eher logischen Nutzkanälen an Daten-paketen entspricht mit spezifizierten Schnittstellen im Zu- und Abgang an festen sowie gewählten paketweisen Kanälen. Was zunächst als paarweise bezeichnet wurde, würde das IP (Internet Protocol) bewerkstelligen durch nicht nur paarweise vorkommende Router und andere paketvermittelnde (engl.: packet switching) Netz(werk)-Knoten statt Multiplexer, aber auch das, was weiter unten noch als einkanalige LAN-Technologie beschrieben wird (und originär knotenlos war). Der folgenden Darstellung in Bild 1.9 kann man die ent-stehenden Paketlücken, die auf dem schnelleren Medium irregulär anmuten, entnehmen. Wie intern mit Paketen breitbandig gemultiplext wurde, war in der Regel proprie-tär, was im Bild 1.9 erkennbar ist an anderer Reihenfolge. Wie ersichtlich, geht natürlich ein Zeitgleichheitsmerk-mal, bezeichnet als Synchronität, trotz Hoch- und Höchst-

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1.3 Einkanalige LANTechnologie (CSMA/CD)

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geschwindigkeit oft verloren; eine Bandbreiten-Garantie ist nicht gegeben und die mutmaßliche Nutzbandbreite schien historisch mit 2 Mbit/s erreicht. Auch was im Zu-gang (bit-)seriell paketisiert angenommen und im Abgang als Pakete abgegeben wurde, war nicht ganz klar im Hinblick auf die gute Frage, ob intern Nicht-Nutzkanäle bemüht wurden, welche die Signalisierungszeichengabe für Daten-Wählverbindungen aufnahmen (auch genannt Calls). Neben den konventionellen geschlossenen Schnitt-stellen gab es auch eine gewisse Offenheit als Vorausset-zung, wenn Nutzdaten (bereits) nach Standard paketisiert angeliefert und abgenommen wurden. In dem Fall sprach man auch von vorkonzentrierenden Access Multiplexern, einzeln oder auch paarweise zum Zu- und Abgang ver-wendet.

Weg vom starren Raster nach Zeit und/oder Frequenz

Im Hinblick auf die Hochfrequenz-(kurz HF-)Technik las-sen sich Daten, insbesondere paketisierte Daten, als ein-deutig zuzuordnende Übertragungseinheiten zwischen Stationen – mit Ziel- (engl.: destination) und Ursprungs-adresse (engl.: source oder origin) – ohne feste Rasterung über Knoten hinweg durchgehend fast beliebig übermit-teln. (Die Stationen werden, da sie eigenständig sind, auch als Customer Premises Equipment, kurz CPE, bezeichnet). So können theoretisch unendlich viele Kommunikations-partner ein gemeinsames, überall hinreichendes Kabel benutzen, wie bei den historischen, tatsächlich physika-lisch einkanaligen LANs, und zwar ohne (Verbindungs-)Hierarchie-Bildung eines Multiplexings – eigentlich ein Sonderfall. Mit einem derartigen Ansatz würden sogar jegliche Vermittlungs-, Konzentrations- und andere Stel-len an Knotentechnik entfallen; vielmehr übernimmt bei LANs jede Teilnehmerstation diese Aufgaben mit. Die Sta-tionen sind allesamt Rechner, vorzugsweise mit einem dedizierten Echtzeit-Betriebssystem (engl.: realtime ope-rating system, kurz RTOS) hier in industrieller Umge-bung. Auf Basis logischer Nutzkanal-Bildungen und von selbstgesteuertem Zugang greift für jeden Rechner ein verteilter Algorithmus, bei dem (meistens) pro Teilneh-merstation etwas gewartet werden muss, bis das Medium (für alle) bzw. der einzige (physikalische) Nutzkanal wie-der frei ist.

1.3 Einkanalige LAN- Technologie (CSMA/CD)

Der eigentliche Nachteil der vorgenannten statischen Mehrnutzkanal-Multiplexverfahren und -systeme ist, dass so Bandbreite verschwendet wird, da sie in Momenten der Nichtbenutzung den potenziellen Kommunikationspart-nern jeweils fest wie permanent zugeführt so zugeordnet bleibt. Hingegen muss bei (Durchschalte-)Vermittlungs-technik (engl.: circuit switching), wie bei Koppelfeldern (evtl. noch zusätzlich im Zeitlagevielfach), die Bandbreite bei Bedarf jeweils erst zugewiesen werden, was ohnehin einer zeitlichen Begrenzung unterliegt. Mehrnutzkanal-Multiplexverfahren sind also statischer Natur, d. h., sie bieten an spezifizierten Schnittstellen feste Zu- und Ab-gangsbandbreiten, die stets gleich sind, was bedeutet, dass der Bandbreitenbedarf einer gemultiplexten Strecke um ein Vielfaches höher ist als bei einer bloßen Aufaddie-rung der tatsächlich gleichzeitig genutzten Bandbreiten. (Wenn Bandbreite(n) nicht genutzt werden, dann bilden sich Opportunitätskosten.) Werden jedoch, wie bereits an-gedeutet, die Daten in Paketen der HF-Technik und nur im Moment des Bedarfs übertragen, werden zeitliche Lücken vermieden und das Übertragungsmedium ist optimal aus-gelastet – trotz evtl. Wartezeiten für die Teilnehmer. Sicherlich könnten sich alle sendebereiten Stationen un-tereinander per kleiner Zeitverschiebungen im (fast) gleichzeitigen Zugang arrangieren, soweit kein Hochlast-fall auftritt.

Höchst interoperabel für Bildung logischer Kanäle

Für die teilnehmenden Stationen, worunter man sich in Folge Clients und Server vorzustellen hat, beide gleich-berechtigt einschließlich des Industrie-PC (IPC), wird bei diesem offenen Verfahren blockweise bzw. datenpaket-weise – über Puffermechanismen fast lückenlos bzw. unter Ausnutzung selbiger – und ggf. aufsortiert gebündelt. Da ungenutzte Zwischenzeiten für andere dynamisiert zu-sätzlich nutzbar gemacht werden, ist sogar im statisti-schen Mittel mehr übertragbar als bei starrer Vergabe. Dies stellt einen Gewinn dar. (Zeitungleiche) Paketüber-

Datenpakete Bild 1.9

Dynamisches Multiplexing mit Datenpaketen

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1tragung und deren Eigenvermittlung führt über zur LAN-Technologie, was eigentlich ein geschlossenes System ist, sowie zur Lösung des offenen Zugangs eines mehr oder weniger zufälligen Eintreffens von Nutzdaten-Paketen verschiedener Ursprünge. Die beherrschbaren Kurzzeit-Warteschlangen im Puffer sind aber essenziell für Folgen-des.

Ein Sonderfall des Multiple Access: dynamisch, einkanalig und mit einheitlicher Zugangsschnittstelle

Ein paketisiertes Zugangsverfahren der HF-Technik im (physikalischen) Einnutzkanalsystem (für mehrere am Datenverkehr gleichzeitig teilnehmende Stationen) arbei-tet nur dann effektiv, wenn die (Start-)Laufzeit der Daten-pakete im (präferierten) Einheitsmedium extrem kurz ist (während Multiplexer paarweise und unter Umständen auch in der Ferne in dieser Hinsicht nicht gut funktionie-ren). Dies begrenzt auch – über Inhouse-Verkabelung ge-mäß „Regeln für die Standardinstallation bei Übertra-gungswegen und Anschlüssen“ hinausgehend – schließlich den Bereich (engl.: area) zur flächenmäßigen Ausdehnung für alle Teilnehmerstationen, da die paketisierten Nutz-datensignale überall vorbeitransportiert werden müssen. Im Rahmen des Anspruchs eines transportierenden Netz-werks für alle – und nicht nur in einer Client-Server-Kon-stellation zur Automation – ergeben sich aber örtlich (engl.: local) in der Praxis mehrere Varianten: Es sind die für die Local Area Networks, kurz LANs, charakteris-tischen, speziellen (Vielfach- bzw.) Mehrfachzugriffs- und Mehrfachzugangsverfahren (engl.: Multiple Access, kurz MA) im Einnutzkanalsystem für mehrere Datenverkehr gleichzeitig teilnehmende Stationen, die als genauestens spezifiziertes MAC (Medium Access Control im Physical Layer 1) geführt werden. Bei einer womöglich überallhin reichenden Übertra-gungsstrecke – zutreffend für den Inhouse-Bereich und evtl. benachbarte Gebäudetrakte, lokal und bis dato aus-schließlich über ein eigenes Netzwerk ausgeführt, also ein Customer Premises Networking (CPN) – wird das Problem des potenziell gleichzeitigen Zugangs/Zugriffs (engl. beides: access) bei paketweiser Belegung unterein-ander zwischen allen vor Ort betroffenen Stationen selbst-tätig bereinigt bzw. aufgelöst (engl.: resolve). Dieser Spon-tanität unterliegend (und einer Wahrscheinlichkeit unterworfen), aber kontrolliert und mit weiterer betrieb-licher Absicherung (engl. etwa: operating safety) über (weitere) Protokolle darüber, greifen effektiv verteilte Al-gorithmen, entweder deterministisch oder stochastisch wirkend. Letzteres neigt ohnehin ab einer gewissen Last quasi einschwingend im Einkanalsystem zum Determi-nismus.

Zunächst als knotenlos designt fürs umfassende Funktionieren

Es waren ursprünglich bei allen offenen Alternativstan-dards (IEEE 802) – die Spezifikationen für die Zugangs-schnittstellen erfolgten später – keine Vermittlungsstel-len vorgesehen. Das heißt, dass jede Station, bestehend aus einem Rechner (mit eigenem Betriebssystem), diese Aufgabe(n) mit übernimmt wie folgt: Eine Station emp-fängt etwas, indem sie sich eine Kopie des an sie adres-sierten Nutzdatenpakets zieht, welches im Bus, Ring etc. unterwegs ist, während die anderen es ignorieren, bis es zur Löschung kommt. Dadurch sind schon von sich aus für erfolgversprechende paketisierte Übertragungen sehr hohe Datenraten, mindestens im Mbit/s-Bereich, erforder-lich, was allerdings im Sinne hoher Nutzübertragungs-raten nur dann performant funktioniert, wenn die auf-einander reagierenden Rechner/Nutzer nicht allzu weit voneinander entfernt sind. Grund ist die noch später angesprochene Ausbreitungsgeschwindigkeit (NVP) der Pakete und Signale (wie z. B. Collision-Detection) der HF-Technik, was als noch nicht einmal Lichtgeschwindigkeit enge Grenzen setzt. Das exakte Kriterium aus dem bereits historischen Ver-ständnis, wann hier ein LAN vorliegt bei den anvisierten gemeinsamen Punkt-zu-Punkt- und sogar Mehrpunktver-bindungen, lautet: Die jeweilige maximal absehbare Ende-zu-Ende-Signallaufzeit zwischen Stationen dividiert durch eine Stationssendedauer – als Paketlänge (in bit) durch eine Nenn-Übertragungsrate (in bit/s) – muss kleiner als 1 sein. Hieraus folgt, dass zu jedem Zeitpunkt nur ein Paket unterwegs ist, also das Medium über eine sehr kur-ze Dauer vollständig mit diesem einen belegt bzw. besetzt ist; dann ist es erst einmal wieder frei (engl. hier: idle). Erreicht wird dies für ein physikalisches Einkanalsystem durch komplexe, aber bewährte Verfahrensweisen ent-sprechender, tatsächlich verteilter Algorithmen schon ab dem Moment des offenen Zugangs bzw. bei jeglichem Ver-such dazu. (Diese sind sich bei wired und wireless immer ähnlicher geworden, wenn bei Letzterem auch weiterhin funktionale Abstriche hinsichtlich des Entwicklungsur-sprungs hingenommen werden müssen.)

Das logisch-funktionale Medium: Komplett belegt mit nur einem Paket

Dies wiederum heißt, dass das Senden erst zu Ende sein darf, wenn mit dem potenziellen Empfang begonnen wur-de, was auch für die am weitesten entfernte Station mög-lich sein muss; es zieht sich quasi hin. Hieraus resultiert wiederum eine Mindest-Paketgröße nebst unten vorge-stellter zeitlicher Mindest-Zwischenlücke an Paketüber-tragungen. Beide, Punkt-zu-Mehrpunkt- sowie Punkt-zu-

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1.3 Einkanalige LANTechnologie (CSMA/CD)

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1Punkt-Netzwerke wie eine Linientechnik (der sog. Short und Long Hauls), lassen weitere Verbundstrukturen von Verbindungen (der Inter-Connections) zu bzw. die Ver-kehrslasten (engl.: traffic load) lassen sich übertragungs-zeitgerecht logisch-funktional durch Entkopplung gestal-ten (und dienen auch der Sicherheit); das wird auch Traffic Shaping (dt. etwa: Verkehrsgestaltung) genannt. (Eine Zusammenfassung nach hochlastiger Anzahl tatsäch-licher oder möglicher Belegungen, eben paketweise, mit-tels der Dauer gegenüber der nächstgrößeren Zeiteinheit, hat keine Aussagekraft.)Im Sinne eines angestrebten Determinismus wie beim Multiplexing sind die historisch bedingten, nennenswer-ten (Mehrfach-)Zugangsverfahren auf ein Einheitsmedium in Halb-Duplex-Betriebsweise beschränkt. Ein Beispiel wäre das Token-Passing für Ringe – genauer: mit Stern-koppler, genannt MAU (Multistation Attachment Unit) nach IEEE 802.5 (der mindestens einen Stern als realisier-ten Ring abgibt, vgl. Bild 3.42). Nach IEEE 803.4 existiert auch ein Umlauf der zyklischen Weitergabe der ebenso paketisierten Sendeberechtigung (Token) als Token- Bus, bekannt unter der Herstellerbezeichnung ARCnet. Dieser ist zwar selten, aber im Produktionsumfeld noch anzutref-fen, und wird später noch kurz angesprochen. An und für sich wären alle Verfahren als gleichwertig zu betrachten; sie unterscheiden sich aber bezüglich ihrer klassischen Einsatzschwerpunkte und hinsichtlich ihrer initial festgestellten Leistungsfähigkeit an erzielbarer Datenübertragungsrate. (Das Bewertungsmaß zu dieser Leistung ergibt sich aus der Gesamtanzahl der Stationen, wobei eine theoretische Maximalzahl nie erreicht wird bzw. sich die Entfernung je eingebrachter Station quasi kalkulatorisch verkürzt: Dann bleibt es gut.) So wäre die stochastische Alternative CSMA/CD, im Folgenden en detail behandelt, für die verschiedenen Formen des Dateitransfers besonders effektiv, während Token Ring besser für Dialoge geeignet ist. Letzteres überträgt zwar nicht in Echtzeit, bietet aber den Vorteil eines nicht variie-renden, geringen zeitlichen Versatzes (Isochronität). Die-ser ergab sich aus der zusätzlichen Latenz hinsichtlich der tatsächlich bitweisen Zwischenpufferung der im flächenlimitierten Ring (per elektromechanischem Relais-Schalter) aktiv aufgenommenen Stationen, während nicht genutzte möglichst selbsttätig ausgeklinkt sind, d. h., den Ring klein halten. Weitere Eigenheiten kamen hinzu, nämlich der eigent-liche, unverrückbare Ring, der auch als Trunk bezeichnet und unidirektional über funktionale TCUs (Trunk Coup-ling Units) geschlossen wird. Dort liegt gegebenenfalls aus betrieblichen Sicherheitsgründen ein sog. Sekundär-ring vor. Jedoch haben komplexe Konfigurationsregeln sowie der Aufwand für Generierung, Umlaufüberwa-chung, Zeitsteuerung etc. bezüglich des (Single) Tokens –

das ein zirkulierendes, zu generierendes, zu überwa-chendes etc. Spezialpaket darstellt, um ein Paket im Hin blick auf den Sendewunsch einer Station einzu-fangen – diese geordnete Alternative mittels Zentralfunk-tionen, genannt Token Ring Manager, ins Hintertreffen gebracht. Außerdem kann ein Token schon mit angehäng-ten Nutzdaten einer anderen Station belegt sein, zulässig oder nicht. Zudem wurde ein Geschwindigkeitsupgrade höher als 4 Mbit/s bzw. 16 Mbit/s vernachlässigt – da die festgestellte starke Ringverkürzung zur Notwendigkeit würde.Im Gegensatz zum damaligen Ethernet/Cheapernet, in dem nur und ausschließlich dann bei Datenübertragun-gen (je nach Version) bis zu 3,5 V gefahren wird, sind Token- Systeme aktive Medien mit einer anliegenden Ruhe spannung von 4,1 V bis 7 V für eine Trägerfrequenz von 16 MHz bzw. 32 MHz, die sicherstellt, dass das Token überhaupt umlaufen kann. Beim von Token gesteuerten Ring hängen also die realisierbaren Entfernungen pro An-schlussstrecke oder zwischen den MAUs nicht nur von elektrotechnischen Planwerten, sondern von einer Viel-zahl von Einflussfaktoren ab, wie Umlaufzeit (des mög-lichst freien Tokens), Fähigkeit der Stationen zum Aufsyn-chronisieren, verwendeter Spezialkabeltyp einschließlich LWL-Alternativen. Außerdem gestalteten schnell notwen-dig werdende (Analog-)Zwischenverstärker (engl.: ampli-fier, nicht zu verwechseln mit der Übersetzung für End-stufe gegenüber der Vorstufe, engl.: exciter) jegliche Planung sehr schwierig. Auf all das muss durch Zähler- und Zeiteinstellungen beim Zugangsprotokoll zusätzlich Rücksicht genommen werden. Die verwendeten origina-len Datenstecker der Fa. IBM wirkten klobig, wenngleich sie auch von hoher Qualität waren.Andersartige Alternativen wie das Multiple-Token-Verfah-ren oder bei Bedarf eine zusammenhängende dynamische Bandbreite per Reservierungsschritt, wie beim Demand Access Multiple Access, kurz DAMA, ebenso reich an Zen-tralfunktionen, haben sich wegen ihrer noch höheren Komplexität als nicht handhabbar erwiesen – wenn auch so manches in stark reduzierter Form vom Design her in den schnellen Digital-Datenfunk eingegangen ist. Im Sinne eines rein dezentral und so eher wahrschein-lichkeitsbedingt funktionierenden Mehrfachzugangs (engl.: Multiple Access, kurz MA) im geschlossenen Ein-nutzkanalsystem für mehrere am Datenverkehr gleich-zeitig teilnehmende Stationen wird das CSMA/CD-Verfah-ren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) noch näher vorgestellt. Dieses wird landläufig unter der Alt-Markenbezeichnung Ethernet geführt, standardisiert nach IEEE 802.3 bzw. sodann (global genormt) nach ISO 8802.3. Die Mächtigkeit des CSMA/CD-Verfahrens reicht so weit, dass selbst Highspeed Ethernet und Gigabit Ethernet in bestimmtem Umfang wie vorgesehen selbst

Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale Fabrik · 2020. 3. 27. · Riegelmayer Industrie...

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